整整一周之前，一個重大項目在美國悄然啟動。
這個項目是美國“電子復(fù)興計劃”（ERI）中的絕對核心。ERI被外界稱為美國第二次電子革命，承載著延續(xù)美國榮光的重任。
在ERI首批7500萬美元撥款中，這個項目獨得6100萬美元，成為最大贏家。足見ERI計劃制定機構(gòu)——美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的重視程度。美國不單要遏制對手，還要扶持自家。
3D芯片能以更低的成本，實現(xiàn)50倍的計算性能提升，據(jù)稱能以90nm工藝實現(xiàn)7nm芯片的性能。這被認為對美軍具有重要意義，同時也被美國媒體認為是打壓中國芯片的重要一步。
參與這一項目的核心人士指出，如果美國不繼續(xù)采取行動，為今后十年早做準備，就會在芯片領(lǐng)域失去核心競爭力。有研究公司指出：“美國和歐洲都非常擔心中國在芯片戰(zhàn)場上占據(jù)主導(dǎo)地位。”
更多關(guān)于這個項目的細節(jié)正逐漸浮出水面。
MIT的熱門研究
這個項目的核心人物，是麻省理工（MIT）的明星教授Max Shulaker。他2016年加入MIT，此前本碩博就讀于斯坦福大學(xué)。
2013年，博士在讀的Shulaker研發(fā)出全球首臺碳納米晶體管計算機，并成功測試運行。這一突破意味著，人類的計算設(shè)備有望擺脫對硅晶體的依賴。
這篇碳納米晶體管計算機的論文，登上了當年的《自然》雜志，也是目前Shulaker被引用最多的一篇論文。在碳納米晶體管基礎(chǔ)上，2017年Max Shulaker又取得新的突破：3D芯片。這篇論文，同樣被《自然》刊發(fā)。
簡單解釋一下3D芯片的意義。
傳統(tǒng)的計算機由不同的芯片連接而成，隨著數(shù)據(jù)量日益增加，計算芯片和存儲芯片之間的通信“瓶頸”越來越明顯。而且基于硅晶體管的芯片，性能提升已隨摩爾定律放緩，且芯片上騰挪的空間有限。
而石墨烯制造的碳納米晶體管（CNFET）+電阻隨機存儲單元（RRAM），可以彼此垂直構(gòu)建，形成具有邏輯和存儲器交錯層的3D芯片結(jié)構(gòu)，有效拓展了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。
基于硅晶體管的芯片，無法構(gòu)建類似的3D結(jié)構(gòu)，因為構(gòu)建新電路層的1000℃高溫會破壞底層電路。而碳納米晶體管的構(gòu)建可以在200℃以下完成。
除了計算和存儲芯片合一，3D芯片還可以把碳納米晶體管構(gòu)建的傳感芯片也堆疊進去，形成一個更加強大的單體芯片。
這種芯片的結(jié)構(gòu)，特別適合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算。
3D芯片可以用在自主無人機、面部識別等各種領(lǐng)域，因而也備受美國軍方的關(guān)注。既關(guān)乎民生經(jīng)濟，又關(guān)乎國防安全。
除了Max Shulaker，參與這個項目的主要研究人員還包括MIT工程學(xué)院院長Anantha Chandrakasan等。
在“電子復(fù)興計劃”之前，DARPA已經(jīng)通過其他項目，投資支持3D芯片的研究。這次不過是繼續(xù)加大了資金支持力度。
美國芯片廠SkyWater
誰來負責這個項目落地？
SkyWater，直譯成中文，就是天水公司。
但坦白講，你可能沒聽過這個名字。
畢竟這是一家去年才成立的公司，從美國芯片制造商賽普拉斯（Cypress）拆分而成。天水現(xiàn)任總裁Thomas Sonderman是一位芯片行業(yè)的資深人士，曾經(jīng)供職于AMD和晶圓代工廠格羅方德。
和自己設(shè)計芯片的英特爾不同，天水是一家芯片代工廠。目前業(yè)務(wù)主要來自賽普拉斯，年收入為數(shù)億美元。
△SkyWater位于明尼蘇達的工廠
在DARPA資金的扶持下，天水將與MIT和斯坦福大學(xué)合作，把3D芯片的研發(fā)構(gòu)想，在未來三年中變成可以大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)實。
如果天水成功，芯片制造方式將徹底改變。這直接威脅著目前的傳統(tǒng)、2D芯片公司，例如三星、格羅方德、臺積電等。
然而與這些同行相比，天水目前的芯片制造技術(shù)落后至少十年。現(xiàn)在天水的生產(chǎn)工藝還停留在90nm、130nm的水平，而臺積電已經(jīng)準備在2022年量產(chǎn)3nm芯片。
為什么天水會入選？
因為這是為數(shù)不多的，完全美國獨資控制的芯片代工廠。
上面提到的另一家美國芯片代工廠格羅方德，實際上背后是阿布扎比政府基金Mubadala。
“我們是一家美國公司，”天水總裁Sonderman強調(diào)說。“不會有任何知識產(chǎn)權(quán)問題，這非常有利于我們與DARPA和政府之間的互動。”
顯然DARPA的計劃極大加持了天水。3D芯片被認為能帶來50倍的計算性能提升，甚至有望實現(xiàn)數(shù)量級的突破。而且，這種架構(gòu)能夠降低芯片成本，以90nm生產(chǎn)的3D芯片，能實現(xiàn)7nm芯片的性能。這些都是天水未來可能握在手中的籌碼。
通常只有蘋果、高通這樣的巨頭，才能讓臺積電、格羅方德等制造商幫忙代工最先進的定制芯片，訂單量都得在數(shù)百萬以上。但定制芯片的需求，并非巨頭才有，而且需求量正在不斷增長。
成本更低的3D芯片制造技術(shù)，已經(jīng)讓天水憧憬未來能服務(wù)更多小規(guī)模的公司，并從高端亞洲芯片代工廠手里分一杯羹。
未來爭奪戰(zhàn)
然而3D芯片的制造，并非坦途一條。
多年以來，如何使用碳納米晶體管批量生產(chǎn)芯片，一直是半導(dǎo)體工業(yè)界努力要攻克的挑戰(zhàn)。鐵，既是用于生長碳納米管的催化劑，也是一種雜質(zhì)。它會污染用于芯片制造的工具，這些工具需要很高的清潔度。
一旦工程障礙清除，碳納米晶體管制造的芯片，就能以比傳統(tǒng)硅晶體管更低的功率運行。“碳納米管過去一直存在很多固有缺陷，多年來我們一直在慢慢地解決問題，現(xiàn)在已經(jīng)可以用于構(gòu)建大型系統(tǒng)。”Max Shulaker說。
1991年，現(xiàn)任日本學(xué)士院院士、中國科學(xué)院外籍院士飯島澄男，在《自然》雜志上宣布觀察到碳納米管，由此開拓出一個全新的領(lǐng)域。
隨著摩爾定律的終結(jié)，硅晶體管即將迎來物理極限。而碳納米晶體管被認為是芯片行業(yè)的未來。2016年，美國勞倫斯伯克利國家實驗室采用碳納米管復(fù)合材料，將晶體管制程縮減到了1nm。
很多機構(gòu)都在研究碳納米晶體管。
2001年成立的Nantero，準備在一種新型存儲芯片中使用碳納米管，這種產(chǎn)品被稱作NRAM。Nantero在官網(wǎng)中指出，碳納米管直徑僅為頭發(fā)絲的五萬分之一，但強度是鋼的50倍，密度為鋁的一半，導(dǎo)電性優(yōu)于任何已知材料。
去年1月，《科學(xué)》雜志刊登了我國在碳納米管方面的突破：北京大學(xué)彭練矛和張志勇課題組，首次制備出5納米柵長的高性能碳納米晶體管，并證明其性能超越同等尺寸的硅基CMOS（互補金屬—氧化物—半導(dǎo)體）場效應(yīng)晶體管，將晶體管性能推至理論極限。
這篇論文第一作者是北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士后邱晨光，張志勇教授和彭練矛教授為共同通訊作者。
《北京大學(xué)校報》此前對彭練矛有一篇專題報道，其中提到：
“我們大概從2001年開始就得到科技部‘973計劃’的支持。北大有一個很大的團隊都在做這個事情，包括化學(xué)學(xué)院、物理學(xué)院和信息學(xué)院。”國家對彭練矛團隊的碳基納米電子學(xué)項目一直很重視。2006年，第一期“973”計劃結(jié)束。在國家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“納米研究”框架下，彭練矛團隊得到了進一步研究碳基器件方面的支持，2011年又得到了碳基集成電路方面的支持。在國家的幫助下，彭練矛團隊已經(jīng)制備出了世界上性能最好的碳納米管晶體管。就單個器件來說，其速度要比同樣尺寸的硅基器件快五至六倍，功耗比硅基器件的十分之上還要低。
此外，特殊的電子結(jié)構(gòu)和良好的熱穩(wěn)定性也使碳納米管晶體管的制備過程不需要通過摻雜來控制電學(xué)性能，可以適應(yīng)很高和很低的溫度。傳統(tǒng)的芯片在高溫時，里面的雜質(zhì)會擴散，從而給芯片帶來不可恢復(fù)的損失。因此，碳納米材料在特殊環(huán)境中，如極低溫或航天條件下優(yōu)勢明顯。此外，硅基材料本身是間接帶隙材料，這限制了它在光電方面的應(yīng)用；而碳納米管是一種直接帶隙材料，具有良好的光學(xué)性能。
△飯島澄男（左）和彭練矛
實際上，美國研究這方面的團隊也不止一兩家。即便在DARPA的扶持計劃中，也不僅僅有Max Shulaker牽頭的一個項目。佐治亞理工學(xué)院的Sung Kyu Lim，也在牽頭負責同題的項目，只不過拿到的經(jīng)費沒有那么多而已。
“如果美國在下一個十年不采取行動，我們將失去芯片的核心競爭力，”Sonderman警告說忽視芯片制造技術(shù)會帶來可怕的后果，而幫助天水這樣的公司成長，就是美國正確的一步。
芯片研究公司VLSI Research的首席執(zhí)行官Dan Hutcheson表示：“美國和歐洲都非常擔心中國在芯片戰(zhàn)場上占據(jù)主導(dǎo)地位”。