微软公司宣布不再支持你正在使用的 IE浏览器,这会严重影响浏览网页,请使用微软最新的Edge浏览器
厂商专区
产品/技术
应用分类

知识解读社 | 石墨烯3D芯片的优缺点大曝光

2018-09-21 12:36 来源:电源网综合 编辑:Janet

长久以来,材料学家就知道,可以通过精心排布碳原子的方式获得强度超高的物质,如石墨烯。

迄今为止,石墨烯是人类已知的强度最大的材料,其由在非常薄的二维平面上排列的碳原子所成。但是它有一个缺点:虽然它的薄度和独特的导电性能值得关注,可是要用石墨烯来制造出有用的三维形态的材料是非常困难的。

2017年1月,麻省理工学院的一支研究团队发现,利用小片的石墨烯,将它们融合成网状结构不仅可以保留材料的强度,而且保持了材料的多孔性态。

根据在3D打印模型上进行的实验,研究人员已经确定,这种材料具有独特的几何结构,实际上比石墨烯更强——强度比低碳钢强10倍,但密度只有后者5%。3D石墨烯可望让其中的电子携带电荷,但不带质子——就像光子一样,因而使其成为最有希望在拓扑材料表面达到像超导体般电导率的新方法之一。新发现的超高强度但特别轻巧的材料将会有极其广阔的应用。

您可以在下面看到三维石墨烯上的压缩和拉伸测试的模拟结果:

 石墨烯3D芯片的优缺点大曝光

该项研究成果由Markus J. Buehler、Zhao Qin、Gang Seob Jung、Min Jeong Kang等发表在2017年1月6日的Science Advances上。

上图为摘录文章中的数据图:不同原子级、3D打印的螺旋形的机械性能测试

该团队主要的研究内容是将石墨烯材料用于制作碳纳米晶体管,并构造出3D芯片来。据称研究内容将有望以更低的成本实现50倍计算性能的提升。

此次的石墨烯3D芯片并非完全由石墨烯构成

2017年Max教授再次于《自然》杂志发文提出单芯片上三维集成的计算和存储模型,也是在这篇文章中产生了石墨烯制造的碳纳米管3D芯片这一概念。

2013年的那个碳纳米晶体计算机是完全意义上的纯碳纳米技术计算机,其主要内容是探索用新材料取代硅做新型电子设备的材料,而最近发表于自然杂志的石墨烯3D芯片则是试图用石墨烯材料参与到传统硅芯片的构建中来,两者的思路是不尽相同的。

石墨烯3D芯片的优缺点大曝光

(仅从论文配图就可以明显看出不是纯石墨烯芯片)

该教授2017年发表在《自然》杂志论文中报告的芯片,拥着四个集成电路层,并拥有5个子系统。其中负责实验样品蒸汽数据采集、传输和处理的部分是碳纳米晶体管构建的,而电阻随机存储单元(RRAM)和接口电路是由硅晶体管构建的。毫无疑问,这是一个组合型的气味探测芯片,而不仅仅是碳纳米晶体管构成的。

石墨烯芯片还存在很多问题

之所以人们会想用石墨烯以取代现有的硅半导体作为芯片的材料,用Max教授的2013年的话说就是:“与传统晶体管相比,碳纳米管体积更小,传导性也更强,并且能够支持快速开关,因此其性能和能耗表现也远远好于传统硅材料”。

换言之就是说,石墨烯具有硅所不具备的更优良的力学、化学和电学性能。不过这些优势真的是电子工业所需要的吗?近几年来,作为计算机核心的CPU的单核性能不再像过去一样大幅提高的主要原因真的是因为硅半导体材料的力学、化学和电学性能不行吗?

事实显然不是这样,现今CPU综合性能上不去有复杂度太大的原因,有主频难以继续提高的原因,也有芯片功耗障碍的原因和带宽障碍的原因。这些原因都不是因为硅半导体本身的材料问题造成的。

以主频的提高为例,130nm工艺之后,芯片电路延迟随晶体管缩小的趋势越来越弱。伴随而来的就是主频的提升越来越难,目前制约主频的主要因素已经成为连线时延而非晶体管的翻转速度。

 石墨烯3D芯片的优缺点大曝光

(随着制程的减小,门延迟降低而连线延迟上升)

可见此时引入新的材料并不能解决电子工业面临的问题,何况以石墨烯构建芯片还面临着与旧生态不兼容、加工困难的问题。事实上,半导体电子管诞生初期就有过是不是应该用功耗更低的锗来做半导体的基材的讨论。最后因为成本以及硅电路过去的积累最终使产业界放弃了这一打算。

今天引入的新材料,如果不能解决上面这些关键问题,面对的壁垒比当年的锗半导体材料只大不小,所以Max最近的研究开始向石墨烯辅助硅转变。

Max教授在他近期的论文中宣称:“该芯片的RRAM和碳纳米晶体管在200度下制造,而传统的工艺需要1000度”。低温有助于大大增加集成电路层之间的纵向联系,按该论文的说法,石墨烯3D芯片的纵向联系比传统方式增加了1000倍。而这种联系有助于解决大型集成电路元件中带宽障碍的问题。

这种温度上的差异是由石墨烯材料与硅半导体加工方式不同造成的,构建芯片的晶体管并非是蚀刻加工的,而是“生长”出来的。石墨烯3D芯片制造靠的是化学而非物理作用。

这种方式在一定程度上有其优越的一面,另一方面,如何大规模的、均匀的、同样大小的生长碳纳米晶体管也是令人头疼的问题。

2013年全球首台碳纳米晶体管计算机诞生时Max Shulaker教授说:“这是人类利用碳纳米管生产的最复杂的电子设备。”而这台计算机仅仅只有178个晶体管,同时只能运行支持计数和排列等简单功能的操作系统。这与当时的硅半导体计算机存在数千万倍的差距。

Max教授在另一篇论文中也承认“碳纳米管(加工中)容易改变,这会降低电路产量,降低电路的抗干扰能力,并严重降低其能源和速度效益。为了克服这一突出的挑战,需要探索和优化碳纳米管处理方案和 CNFET 电路设计。”

标签: 石墨烯 3D芯片

声明:本内容为作者独立观点,不代表电源网。本网站原创内容,如需转载,请注明出处;本网站转载的内容(文章、图片、视频)等资料版权归原作者所有。如我们采用了您不宜公开的文章或图片,未能及时和您确认,避免给双方造成不必要的经济损失,请电邮联系我们,以便迅速采取适当处理措施;欢迎投稿,邮箱∶editor@netbroad.com。

相关阅读

微信关注
技术专题 更多>>
研发工程师的工具箱
智慧生活 创新未来

头条推荐

电子行业原创技术内容推荐
客服热线
服务时间:周一至周五9:00-18:00
微信关注
获取一手干货分享
免费技术研讨会
editor@netbroad.com
400-003-2006