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美国科学家将逻辑与存储芯片结合构建“多层”芯片(2)
作者: 佚名 2014-12-18 16:16 【科技日报】

碳纳米管造逻辑层

工程师几十年前就已造出了硅芯片。但无论手机还是平板电脑都会发热,放出热量的大小也能显示其内部问题。即使把它们关上,有时也会有电从硅晶体管中泄露。用户会感觉到热,对系统本身来说,这种泄露也会耗尽电池,浪费电力。研究人员正致力于解决这一难题,比如用碳纳米管(CNT)晶体管。

碳纳米管非常纤细,20亿根才有一根头发粗细,所以漏电要比硅少得多。在米特拉和翁的第二篇会议论文中,介绍了他们是怎样制造性能最高的碳纳米管晶体管的。用以往的生产碳纳米管的标准工艺,造出的纳米管密度不够致密。他们攻克了这一难题,开发出一种灵活的技术,能把足够多的碳纳米管打包在足够小的面积里,以制造有用的芯片。

他们先在圆形石英晶片上用标准方法生产碳纳米管,然后增加厚度到一定量,再用黏合法把整个碳纳米管层从石英介质上剥离,放到硅晶片上。这种硅晶片就是他们多层芯片的基础。

研究人员先要制造密度足够大的碳纳米管层,才能制造出高性能的逻辑设备。他们按这种工艺重复13次,在石英晶片上生长了一大堆碳纳米管,然后用转移技术剥离,把它们沉淀在硅晶片上。用这种简捷的技术来固定,他们造出了一些迄今密度最高、性能最高的碳纳米管。他们还证明了,在制造多层芯片时,能在超过一个逻辑层上实施这种技术。

“三明治式”存储器

造出高性能的CNT晶体管层只是多层芯片的一部分,在每层CNT晶体管层上直接制作出存储芯片也同样重要。翁是制造这种存储器的领导者。

翁设计的新型存储器与目前的存储器完全不同,不是以硅为基础,而是用氮化钛、二氧化铪和铂,构成一种金属—氧化物—金属的夹层结构,从一个方向通电会产生电阻,而反向通电则能导电。从电阻到导电状态的改变,就是这种新存储技术形成数字0和1的方式,所以它的名字就叫做电阻式随机存取存储器或RRAM。

RRAM比目前的存储器耗电更少,在移动设备上使用能延长电池寿命。这种新的存储技术也是制造多层芯片的关键,因为RRAM能以比硅存储器更低的温度制造。

多层互连

会议上展示的是斯坦福大学电学工程研究生马克斯·修雷克和托尼·吴制造的四层芯片。制造RRAM和CNT晶体管层都是以低热工艺为基础,所以能在每层CNT 逻辑芯片上直接制造存储芯片层,在制造每层存储芯片层时,能钻数千个与下面逻辑层互相连通的小孔。在传统的电路卡上,就是这种多层互连让多层芯片能避免 “交通拥堵”。

如果用传统的硅基逻辑和存储芯片,无法实现多层间的紧密互连。因为制造硅基存储器要花太多热量,大约要1000℃,这会让下面的逻辑芯片融化。

以往也有人研究堆叠式硅芯片,这会节约空间,但无法避免数据“交通拥堵”。因为每层芯片都要独立制造,并用电线连接——这仍然倾向于拥堵,与研究小组设计的“纳米电梯”是完全不同的。



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