为了应对后摩尔时代的到来，美国国防高级研究计划署（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）启动了一项电子复兴计划（Electronics Resurgence Initiative, ERI），计划在五年内斥资 15 亿美元（约 102 亿人民币）彻底改变微电子业的工作方式，重建一个更加专业化、安全和高度自动化的电子产业群。
近日，ERI 公布了第一批获得资金的科学家、公司和机构的最新情况。而在公布的42个受资助项目中，有一个项目因得到大幅超出其他项目的资助金额而特别引人注目。
这个项目获得的资助金额高达6100万美元，其中，“利用密集的细粒度的单片3D集成技术变革计算系统”( Revolutionizing Computing Systems through Dense and Fine-Grained Monolithic 3D Integration)项目是其所包含子项目中获资做多的——所得资助金额近4000万美元。这个子项目的目标同样引人注目：利用单片3D集成技术，使得以用了数十年之久的旧制造工艺制造出来的芯片能与以目前最先进的技术所制造出来的芯片相媲美。
该项目基于麻省理工学院电子与计算机工程助理教授Max Shulaker及其在斯坦福大学的同事Subhasish Mitra和H.-S. Philip Wong开发的一种技术，该技术允许将碳纳米管晶体管和电阻式RAM存储器构建在普通CMOS逻辑芯片之上。
图 | Max Shulaker
在去年的《自然》期刊上，Max Shulaker 团队就发表了一项研究成果：：将200万个碳纳米管晶体管和100多万个电阻式RAM存储单元构建在一个硅片之上，并通过层与层之间密集排列的金属连接线将它们连接起来，制成的一个用于酒精嗅探的多层电子鼻装置。不过，由于 SkyWater Technology Foundry 公司的参与，这项研究成果并不仅仅是又一项很酷的演示性成果而已。
据了解，总部位于明尼苏达州布卢明顿的SkyWater公司的设备主要用于处理 200 毫米的晶圆，并采用 90 纳米的工艺技术来制造芯片。这项工艺在 2004 年还算的上是 200 毫米晶圆加工的尖端技术，但在15年前大型公司就开始放弃该技术了。那么，DARPA 为什么要对这样一个“过气的”制造厂投入如此多的资金呢？
图 | SkyWater Technology Foundry
从SkyWater总裁Thomas Sonderman的观点却透露出：你可能会觉得该制造厂可能不仅是最好的选择，而且可能是唯一的选择。
Sonderman说，由于90纳米工艺是一种非常可靠的工艺，并且广泛用于制造小批量的芯片，“政府的许多工作是围绕90纳米工艺完成的，因此，开发一种能够进化到更高性能、但仍然遵循90纳米工艺的技术是非常重要的。”
据Sonderman说，处于当前大国技术竞争的背景之下，DARPA也希望将这项技术保留在美国，而SkyWater现在是美国国内唯一一家本国独资的专营硅晶片制造厂。如果DARPA选择在像圣地亚（Sandia）国家实验室这样的国家实验室来开发该技术，那么成果可能依赖于不常见的设备和专业知识，而且如果要用于国防应用之外的商业用途，那么仍需移植到其他商业制造厂。Sonderman说：“在同一个制造厂开发该技术，你就可以很快提高产量生产出更多的产品”。
除此之外，并不是每个制造厂都愿意使用非标准材料（如碳纳米管），因为如果处理不当，就可能会污染其他客户的产品。
Sonderman解释说：“当你想引进一些材料如超导材料，并且想将它们放在运行CMOS流程的同一条生产线上时，你需要制定和落实一整套的协议。我们不仅已经将这些协议落实到位，而且我们在这方面有大约10年的经验。我认为这是我们真正的优势之一，也是外界很难与SkyWater竞争的原因。”
在接下来的三年里，麻省理工学院的 Shulaker 团队将专注于开发可量产的制造工艺，斯坦福团队将开发设计工具，以帮助工程师充分利用 CMOS、CNT 晶体管和 RRAM 层叠所提供的增强性能。而 Skywater 公司将致力于在其工厂开发和测试运行一套高产的“工艺流程”。
Sonderman说：“美国政府对于建立一个不仅能在实验室工作而且可以在传统的制造厂模型中使用的工艺流程十分感兴趣，因为这意味着你不仅拥有技术，而且还能创建了一个能提供给客户使用的工艺流程。”
对于 SkyWater 以及其他小型制造厂来说，能够在不需要高价置换先进技术的前提下就提高最终性能，这将是一个巨大的胜利。几十年来，摩尔定律的发展已经开始展露疲态，半导体行业不断缩小的特征尺寸已经变得过于昂贵。Sonderma 称，最新的基于极紫外光刻技术的工艺动辄需要数十亿美元的投资，而维持这些产品生存的产量，对于服务小型互联网用户并无益处。如果未来一切按计划进行，将标准重新设回 90 纳米，那么我们就能持续扩大生产规模。
（综合整理自DeepTech深科技、IEEE电气电子工程师学会）
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