照片來源：SkyWater Technology Foundry
美國國防部高級研究計劃局 (Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA) 最近公布了獲得電子復(fù)興計劃(Electronics Resurgence Initiative，ERI)提供的第一筆資金資助的科學(xué)家、公司和機構(gòu)的名單。ERI是一項為期5年的、斥資15億美元的計劃，目的是在摩爾定律時代即將結(jié)束之際重塑美國電子產(chǎn)業(yè)。在公布的42個受資助項目中，有一個項目因得到大幅超出其他項目的資助金額而特別引人注目。
這個項目獲得的資助金額高達6100萬美元，其中，“利用密集的細粒度的單片3D集成技術(shù)變革計算系統(tǒng)”( Revolutionizing Computing Systems through Dense and Fine-Grained Monolithic 3D Integration)項目是其所包含子項目中獲資做多的——所得資助金額近4000萬美元。這個子項目的目標(biāo)同樣引人注目：利用單片3D集成技術(shù)，使得以用了數(shù)十年之久的舊制造工藝制造出來的芯片能與以目前最先進的技術(shù)所制造出來的芯片相媲美。
該項目基于麻省理工學(xué)院電子與計算機工程助理教授Max Shulaker及其在斯坦福大學(xué)的同事Subhasish Mitra和H.-S. Philip Wong開發(fā)的一種技術(shù)，該技術(shù)允許將碳納米管晶體管和電阻式RAM存儲器構(gòu)建在普通CMOS邏輯芯片之上。
去年他們發(fā)表了一項研究成果：將200萬個碳納米管晶體管和100多萬個電阻式RAM存儲單元構(gòu)建在一個硅片之上，并通過層與層之間密集排列的金屬連接線將它們連接起來，制成的一個用于酒精嗅探的多層電子鼻裝置。不過，由于 SkyWater Technology Foundry 公司的參與，這項研究成果并不僅僅是又一項很酷的演示性成果而已。
總部位于明尼蘇達州布盧明頓的SkyWater公司通過在用于處理200毫米硅晶片的設(shè)備上應(yīng)用90納米工藝技術(shù)，來制造芯片。這項工藝技術(shù)在2004年還算得上是尖端技術(shù)，但在15年前大型公司就開始放棄該技術(shù)了。那么，DARPA為什么會投這么多的資金給使用這項技術(shù)的這個制造廠呢？
來聽聽SkyWater總裁Thomas Sonderman的觀點吧。這之后你可能會覺得該制造廠可能不僅是最好的選擇，而且可能是唯一的選擇。
Sonderman說，由于90納米工藝是一種非常可靠的工藝，并且廣泛用于制造小批量的芯片，“政府的許多工作是圍繞90納米工藝完成的，因此，開發(fā)一種能夠進化到更高性能、但仍然遵循90納米工藝的技術(shù)是非常重要的。”
據(jù)Sonderman說，DARPA也希望將這項技術(shù)保留在美國，而SkyWater現(xiàn)在是美國國內(nèi)唯一一家本國獨資的專營硅晶片制造廠。如果DARPA選擇在像圣地亞國家實驗室這樣的國家實驗室來開發(fā)該技術(shù)，那么成果可能依賴于不常見的設(shè)備和專業(yè)知識，而且如果要用于國防應(yīng)用之外的商業(yè)用途，那么仍需移植到其他商業(yè)制造廠。Sonderman說：“在同一個制造廠開發(fā)該技術(shù)，你就可以很快提高產(chǎn)量生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品”。
照片來源：SkyWater Technology Foundry
除此之外，并不是每個制造廠都愿意使用非標(biāo)準(zhǔn)材料（如碳納米管），因為如果處理不當(dāng)，就可能會污染其他客戶的產(chǎn)品。
Sonderman解釋說：“當(dāng)你想引進一些材料如超導(dǎo)材料，并且想將它們放在運行CMOS流程的同一條生產(chǎn)線上時，你需要制定和落實一整套的協(xié)議。”“我們不僅已經(jīng)將這些協(xié)議落實到位，而且我們在這方面有大約10年的經(jīng)驗。我認為這是我們真正的優(yōu)勢之一，也是外界很難與SkyWater競爭的原因。”
在接下來的三年里，Shulaker在麻省理工學(xué)院的團隊將專注于開發(fā)制造工藝，斯坦福大學(xué)團隊將創(chuàng)建設(shè)計工具以幫助工程師充分利用CMOS、納米管晶體管和RRAM的堆疊所帶來的性能提升。而Skywater將開發(fā)和測試在其制造廠中運行的一套高產(chǎn)的“工藝流程”。
Sonderman說：“美國政府對于建立一個不僅能在實驗室工作而且可以在傳統(tǒng)的制造廠模型中使用的工藝流程十分感興趣，因為這意味著你不僅擁有技術(shù)，而且創(chuàng)建了一個能提供給客戶使用的工藝流程。”
能夠在不需要花高價置換到更先進技術(shù)的情況下就能提高性能，這對于SkyWater以及其他小型制造廠來說是一個巨大的勝利。Sonderman說，最新的基于極紫外光刻技術(shù)的工藝動輒需要數(shù)十億美元的投資，要維持運營所需的產(chǎn)量，并不利于它們?yōu)樾⌒臀锫?lián)網(wǎng)客戶提供服務(wù)。“如果一切都按計劃進行，將標(biāo)準(zhǔn)重新設(shè)回90納米，那么我們就能持續(xù)擴大生產(chǎn)規(guī)模。”