问耕 发自 凹非寺
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整整一周之前，一个重大项目在美国悄然启动。

这个项目是美国“电子复兴计划”（ERI）中的绝对核心。ERI被外界称为美国第二次电子革命，承载着延续美国荣光的重任。

在ERI首批7500万美元拨款中，这个项目独得6100万美元，成为最大赢家。足见ERI计划制定机构——美国国防部高级研究计划局（DARPA）的重视程度。美国不单要遏制对手，还要扶持自家。

这个项目的目标，意在构建下一代芯片：3D芯片。

3D芯片能以更低的成本，实现50倍的计算性能提升，据称能以90nm工艺实现7nm芯片的性能。这被认为对美军具有重要意义，同时也被美国媒体认为是打压中国芯片的重要一步。

参与这一项目的核心人士指出，如果美国不继续采取行动，为今后十年早做准备，就会在芯片领域失去核心竞争力。有研究公司指出：“美国和欧洲都非常担心中国在芯片战场上占据主导地位。”

更多关于这个项目的细节正逐渐浮出水面。

MIT的热门研究

这个项目的核心人物，是麻省理工（MIT）的明星教授Max Shulaker。他2016年加入MIT，此前本硕博就读于斯坦福大学。

2013年，博士在读的Shulaker研发出全球首台碳纳米晶体管计算机，并成功测试运行。这一突破意味着，人类的计算设备有望摆脱对硅晶体的依赖。

这篇碳纳米晶体管计算机的论文，登上了当年的《自然》杂志，也是目前Shulaker被引用最多的一篇论文。在碳纳米晶体管基础上，2017年Max Shulaker又取得新的突破：3D芯片。这篇论文，同样被《自然》刊发。



简单解释一下3D芯片的意义。

传统的计算机由不同的芯片连接而成，随着数据量日益增加，计算芯片和存储芯片之间的通信“瓶颈”越来越明显。而且基于硅晶体管的芯片，性能提升已随摩尔定律放缓，且芯片上腾挪的空间有限。

而石墨烯制造的碳纳米晶体管（CNFET）+电阻随机存储单元（RRAM），可以彼此垂直构建，形成具有逻辑和存储器交错层的3D芯片结构，有效拓展了数据传输的瓶颈。

基于硅晶体管的芯片，无法构建类似的3D结构，因为构建新电路层的1000℃高温会破坏底层电路。而碳纳米晶体管的构建可以在200℃以下完成。

除了计算和存储芯片合一，3D芯片还可以把碳纳米晶体管构建的传感芯片也堆叠进去，形成一个更加强大的单体芯片。



这种芯片的结构，特别适合深度神经网络计算。

3D芯片可以用在自主无人机、面部识别等各种领域，因而也备受美国军方的关注。既关乎民生经济，又关乎国防安全。

除了Max Shulaker，参与这个项目的主要研究人员还包括MIT工程学院院长Anantha Chandrakasan等。

在“电子复兴计划”之前，DARPA已经通过其他项目，投资支持3D芯片的研究。这次不过是继续加大了资金支持力度。

美国芯片厂SkyWater

谁来负责这个项目落地？

SkyWater，直译成中文，就是天水公司。

但坦白讲，你可能没听过这个名字。

毕竟这是一家去年才成立的公司，从美国芯片制造商赛普拉斯（Cypress）拆分而成。天水现任总裁Thomas Sonderman是一位芯片行业的资深人士，曾经供职于AMD和晶圆代工厂格罗方德。

和自己设计芯片的英特尔不同，天水是一家芯片代工厂。目前业务主要来自赛普拉斯，年收入为数亿美元。



△ SkyWater位于明尼苏达的工厂

在DARPA资金的扶持下，天水将与MIT和斯坦福大学合作，把3D芯片的研发构想，在未来三年中变成可以大规模工业生产的现实。

如果天水成功，芯片制造方式将彻底改变。这直接威胁着目前的传统、2D芯片公司，例如三星、格罗方德、台积电等。

然而与这些同行相比，天水目前的芯片制造技术落后至少十年。现在天水的生产工艺还停留在90nm、130nm的水平，而台积电已经准备在2022年量产3nm芯片。

为什么天水会入选？

因为这是为数不多的，完全美国独资控制的芯片代工厂。

上面提到的另一家美国芯片代工厂格罗方德，实际上背后是阿布扎比政府基金Mubadala。

“我们是一家美国公司，”天水总裁Sonderman强调说。“不会有任何知识产权问题，这非常有利于我们与DARPA和政府之间的互动。”



显然DARPA的计划极大加持了天水。3D芯片被认为能带来50倍的计算性能提升，甚至有望实现数量级的突破。而且，这种架构能够降低芯片成本，以90nm生产的3D芯片，能实现7nm芯片的性能。这些都是天水未来可能握在手中的筹码。

通常只有苹果、高通这样的巨头，才能让台积电、格罗方德等制造商帮忙代工最先进的定制芯片，订单量都得在数百万以上。但定制芯片的需求，并非巨头才有，而且需求量正在不断增长。

成本更低的3D芯片制造技术，已经让天水憧憬未来能服务更多小规模的公司，并从高端亚洲芯片代工厂手里分一杯羹。

未来争夺战

然而3D芯片的制造，并非坦途一条。

多年以来，如何使用碳纳米晶体管批量生产芯片，一直是半导体工业界努力要攻克的挑战。铁，既是用于生长碳纳米管的催化剂，也是一种杂质。它会污染用于芯片制造的工具，这些工具需要很高的清洁度。

一旦工程障碍清除，碳纳米晶体管制造的芯片，就能以比传统硅晶体管更低的功率运行。“碳纳米管过去一直存在很多固有缺陷，多年来我们一直在慢慢地解决问题，现在已经可以用于构建大型系统。”Max Shulaker说。

1991年，现任日本学士院院士、中国科学院外籍院士饭岛澄男，在《自然》杂志上宣布观察到碳纳米管，由此开拓出一个全新的领域。

随着摩尔定律的终结，硅晶体管即将迎来物理极限。而碳纳米晶体管被认为是芯片行业的未来。2016年，美国劳伦斯伯克利国家实验室采用碳纳米管复合材料，将晶体管制程缩减到了1nm。

很多机构都在研究碳纳米晶体管。

2001年成立的Nantero，准备在一种新型存储芯片中使用碳纳米管，这种产品被称作NRAM。Nantero在官网中指出，碳纳米管直径仅为头发丝的五万分之一，但强度是钢的50倍，密度为铝的一半，导电性优于任何已知材料。



去年1月，《科学》杂志刊登了我国在碳纳米管方面的突破：北京大学彭练矛和张志勇课题组，首次制备出5纳米栅长的高性能碳纳米晶体管，并证明其性能超越同等尺寸的硅基CMOS（互补金属—氧化物—半导体）场效应晶体管，将晶体管性能推至理论极限。

这篇论文第一作者是北京大学信息科学技术学院博士后邱晨光，张志勇教授和彭练矛教授为共同通讯作者。

《北京大学校报》此前对彭练矛有一篇专题报道，其中提到：

“我们大概从2001年开始就得到科技部‘973计划’的支持。北大有一个很大的团队都在做这个事情，包括化学学院、物理学院和信息学院。”国家对彭练矛团队的碳基纳米电子学项目一直很重视。2006年，第一期“973”计划结束。在国家重大基础研究发展计划“纳米研究”框架下，彭练矛团队得到了进一步研究碳基器件方面的支持，2011年又得到了碳基集成电路方面的支持。在国家的帮助下，彭练矛团队已经制备出了世界上性能最好的碳纳米管晶体管。就单个器件来说，其速度要比同样尺寸的硅基器件快五至六倍，功耗比硅基器件的十分之上还要低。

此外，特殊的电子结构和良好的热稳定性也使碳纳米管晶体管的制备过程不需要通过掺杂来控制电学性能，可以适应很高和很低的温度。传统的芯片在高温时，里面的杂质会扩散，从而给芯片带来不可恢复的损失。因此，碳纳米材料在特殊环境中，如极低温或航天条件下优势明显。此外，硅基材料本身是间接带隙材料，这限制了它在光电方面的应用；而碳纳米管是一种直接带隙材料，具有良好的光学性能。



△ 饭岛澄男（左）和彭练矛

实际上，美国研究这方面的团队也不止一两家。即便在DARPA的扶持计划中，也不仅仅有Max Shulaker牵头的一个项目。佐治亚理工学院的Sung Kyu Lim，也在牵头负责同题的项目，只不过拿到的经费没有那么多而已。

“如果美国在下一个十年不采取行动，我们将失去芯片的核心竞争力，”Sonderman警告说忽视芯片制造技术会带来可怕的后果，而帮助天水这样的公司成长，就是美国正确的一步。

芯片研究公司VLSI Research的首席执行官Dan Hutcheson表示：“美国和欧洲都非常担心中国在芯片战场上占据主导地位”。

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