通过硅逻辑、电阻随机存取存储器、
纳米管电路以及传感器的
巧妙结合来节约能源。
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你可能以为计算机大多数时候都在进行计算，然而事实并非如此。一台计算机大概90%的运行时间和能耗都用于在处理器和存储器之间传输数据，斯坦福大学的计算机科学家萨巴辛•米特拉（Subhasish Mitra）这样说道。即使摩尔定律无限期地继续生效，计算机还是逃脱不了这个“存储”瓶颈。
米特拉还有他在斯坦福大学和麻省理工学院的同事们已经想出了一个新的计算机结构，他们说这个功能结构可以解决这个问题，并且米特拉认为，这最终能将计算机的能源效率和运行速度提高1000倍。
这种新的3D芯片结构基于之前未被整合过的新型设备：200万个碳纳米管场效应晶体管以及超过100万个电阻随机存取存储器（RRAM）单元，所有这些都建立在一层硅逻辑之上并由层间密集的金属线相连接。在演示中，该团队构建了一个电子鼻，它可以识别柠檬汁、外用酒精、伏特加、葡萄酒以及啤酒等的多种常见气味。
电阻随机存取存储器、纳米管晶体管以及感应器本身就很有意思，米特拉说。但是我们仅仅用更好的设备来置换现存的设备并不能解决目前计算机面临的问题。他继续说道，他们的设计原型最重要的是将一些技术结合起来，使工程师得以开发一种使用传统互补金属氧化物半导体（CMOS）技术不可能实现的有效结构。
堆叠线路是一种让存储器和处理器结合更加紧密的方法，但即使是3D芯片也有显著的存储瓶颈。它们通常会受到层级之间连接质量和连接数量的限制。由于制造硅晶体管所需的温度超过1000摄氏度，在硅层上部建立传统的金属连接线是不可能的，因此就需要添加另外一层硅电路系统。一般来说，这些层都是分开制作的，然后连接在一起，再与相对大型的、稀疏分布的、被称为硅通孔的连接器相连，麻省理工学院的计算机科学家马克斯•舒莱克（Max Shulaker）说道。他与米特拉以及斯坦福大学的黄汉森共同致力于3D纳米系统的研究工作。
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碳纳米管晶体管和电阻随机存取存储器在200摄氏度时都可以进行焊接。也就是说，它们可以通过金属连接线相连，并且研究人员也不必担心在连接的过程中会将金属气化。这就使得他们的原型中的连接网络密度要比传统的3D芯片硅通孔高出1000倍以上。
斯坦福大学和麻省理工学院共同研究的设备有4层结构。它建立在硅片之上，第一层由硅逻辑构成。其上方有一层互连层，然后是一个碳纳米管逻辑阵列。另外一层互连层将纳米管与电阻随机存取存储器层相连接。最后，还有一层互连层与另外一个碳纳米管逻辑阵列以及可以检测气体的碳纳米管感应器相连接。舒莱克说，层级罗列的顺序“反映了数据流是垂直向下流过芯片的”。
在佐治亚理工学院领导合成3D系统小组的马汉纳德•巴基尔（Muhannad Bakir，并未参与这项工作）说这个原型是“一个巨大的里程碑和成就”。相比于传统的硅通孔，金属连接线的应用拥有很大的性能以及能源利用优势，巴基尔说，尽管他所期待的是这些技术可以互为补充。
麻省理工学院-斯坦福大学小组已经在碳纳米管计算领域研究了好几年，舒莱克认为现在正是进行商业化应用的时机。他认为，对于碳纳米技术来说，化学传感是首项较好的商业应用。相比于成熟技术，使用新技术的系统通常会有大量的无用设备。但是通过增加冗余传感器，可以很容易地让化学传感器变得更能容错。该小组已经与位于马萨诸塞州诺伍德的亚德诺半导体公司合作进行产品开发。
米特拉在考虑一个大计划。存储瓶颈这个大问题正在让机器学习之类的数据密集型应用变得越发棘手。他认为这种结构性重新设计很有前景。“从超级计算机到手机，人人都需要使用这项技术。”米特拉说。
作者：Katherine Bourzac
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