集成电路

(图片来源于: Behnam Kia)

引言

摩尔定律一直是半导体产业界的重要定律,它表明集成电路上的晶体管数量每两年都就要翻一倍,处理器的性能也要提高一倍。但是,由于晶体管尺寸正逼近物理极限,摩尔定律面临着严峻挑战。然而,北卡罗莱纳州立大学的研究人员开发了一种新型、非线性的、基于混沌的集成电路,使用新型计算机体系结构,用更少的晶体管达到更佳的性能

摩尔定律面临挑战

1971年,英特尔的联合创始人之一戈登摩尔(Gordon Moore),提出过:当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数量,约每两年便会增加一倍,性能也将提升一倍。这就是著名的“摩尔定律”,它预示了半导体产业的发展速度。为了满足摩尔定律,之前传统的技术手段,都是通过减少晶体管尺寸,以便在芯片上集成更多晶体管,从而提高芯片性能。

然而,芯片上的晶体管的尺寸正面临无法继续缩小的风险,“摩尔定律”未来几年将面临严峻挑战,所以半导体行业正在寻找新途径来创建更佳的计算机芯片。

IntelligentThings在之前的文章中也有过介绍几种解决“摩尔定律”所面临的难题的新技术,例如量子芯片技术:《新型芯片:集成光量子技术,更具有应用性!》(点此阅读)、多核技术:《多核芯片性能显著改善:科学家设计硬件加速核间通信》(点此阅读)、DNA电路技术:《DNA计算机领域重要进展:DNA模拟电路进行数学运算》(点此阅读)等等。

然而,今天我们将提供另外一种思路和方案。

非线性混沌集成电路

最近,北卡罗莱纳州立大学的研究人员开发了一种新型、非线性的、基于混沌的集成电路。使用这种集成电路的计算机芯片,可以使用更少的晶体管来执行多功能。这些电路可以以现有的工艺生产,也带来了一种全新的计算机体系结构。

北卡罗来纳州立大学物理学高级研究员、论文的第一作者Behnam Kia如此描述这项研究:

“我们正在到达晶体管尺寸的物理极限,所以我们需要一种新途径来提高微处理器性能。我们建议使用混沌理论(系统自己的非线性)来让晶体管电路可编程完成不同任务。非线性晶体管电路十分简单,且包含非常丰富的模式。不同的模式代表非线性动力学系统中的不同功能,且是可选择的。我们利用这些动力学级别的行为,使用单个电路完成不同的处理任务。结果,我们可以通过更少的晶体管,完成更多功能。”


原理和核心技术

传统的晶体管电路,每次只能完成一个任务。每条指令和操作数,都由集成电路上特定的晶体管电路完成,从而实现处理器的操作任务。然而在Kia的设计中,晶体管电路通过在不同的操作和功能之间变换,可被编程完成不同的指令

根据Kia的说法,在目前的处理器中,你无法同时利用处理器上所有的电路,这样会造成浪费。然而,他们的设计可以让电路可以迅速转变且重新配置,在每个时钟周期内完成特定的数字功能。设计的核心是模拟的非线性电路,但是接口却是完全数字的。这种设计让电路作为一个完全可变换的数字电路来操作,简单地连接到其他数字系统。

商业和未来展望

研究人员已经设计了一种新的方案,与现有的技术兼容,并且使用和现有计算机芯片同样的制造工艺和CAD工具,目标在于商业应用。kia认为,这种芯片可以通过更少晶体管完成更高的处理性能,100个可变换的、非线性的、基于混沌的电路相当于10万个传统电路的工作能力。1亿个晶体管可以相当于30亿个传统晶体的工作能力,从而达到摩尔定律的性能翻倍的要求。它并不是让晶体管的数量每两年翻一倍,而是通过非线性和混沌电路来提升性能。

研究人员正在改进设计,以达到可商用的尺寸、功率、可简单编程性。他们希望在未来几个月,进一步挖掘这项技术的商业潜力和价值。

参考资料

【1】Behnam Kia, Kenneth Mobley, William L. Ditto. An Integrated Circuit Design for a Dynamics-Based Reconfigurable Logic Block. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 2016; 1 DOI: 10.1109/TCSII.2016.2611442

【2】https://news.ncsu.edu/2016/09/kia-mooreslaw/


非线性混沌集成电路:为摩尔定律带来新希望
Tagged on: