作者:杨正瓴 来源: 中国科学报 科学新闻杂志 中国科学报 发布时间:2019-8-15
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一种新型集成电路概念—— 串音计算

 

杨正瓴

集成电路是当前“卡脖子”的关键核心技术之一。突破围堵和封锁,不仅需要扎实地跟踪国际上的先进研究,还需要放开思路、敢于领先。新型集成电路的设计,是我们弯道超车的可能途径之一。

2018年1月,美国电气和电子工程师协会(IEEE)刊文《4种新奇的新计算途径》,将冷量子神经元、用导线做计算、纳米小滴和硅电路板这4种探索列为未来计算机的可能突破性技术。这里重点介绍“用导线做计算”。

“用导线做计算”最早在2017年由美国密苏里大学堪萨斯分校Naveen Kumar Macha和他的研究小组报道,当时被称为“串音计算”。其基本原理是,随着集成电路集成度的提高,导线之间的空间距离越来越小。如此一来,一根导线上的信号越来越容易通过自身固有的电磁场作用,引起周围其他导线的信号变化。即,信号可以穿过绝缘体到达别的导线,引起“串音”现象。

当前主流的集成电路设计思路,是通过调整导线间的距离、形状等,尽力消除“串音”现象的不利影响。“串音”则反其道而行之,Macha研究小组认为,可以直接利用这种“串音”现象进行信号传输,从而变废为宝。这种设计思路的改变,可以大大提高集成电路的集成度。

该小组宣称,他们已经研制出多种数字逻辑门电路、数模转换、容错电路等集成芯片,并已实现相同的计算功能。与主流CMOS集成电路相比,他们的“串音”芯片需要明显少的晶体管,以及少得多的芯片面积。目前,该小组已经开始研制“串音”的超大规模集成电路。

笔者认为,与另外3种新奇的计算途径相比,“串音计算”的理论基础是麦克斯韦经典电磁理论,其研制对新材料、新技术的依赖较少,是最可能实现应用的新途径。

从理论角度看,宏观电磁相互作用的最基本形式是电磁场。电荷在导体或半导体内部的移动和导线带电后外部固有的电磁场,是电磁信号传播中同时存在的两种基本方式。当导体间的空间距离较大、信号频率较低时,导体、半导体内的电荷移动是信号传输的主要方式;而当空间距离很小、信号频率很高时,导体外部的电磁场传输信号成为主要的方式。此时,通常意义上的绝缘体不再有效阻碍电磁信号的传播,即绝缘体不再绝缘。信号既在导体、半导体内部传输,又在导体、半导体外部穿过绝缘体传播。

后一种情况,包括大家熟悉的无线电广播或电视。我们使用收音机、电视机,在不直接接触发射台的情况下,可以在离发射台数十公里以外的地方听广播、看电视。当这种情况出现在集成电路内部时,就是“串音计算”。

“串音计算”的实质,是一种“半电路、半电磁场”的计算。从研制的可行性看,这类集成电路研制没有原理性障碍,主要是导线内部和外部的信号计算、导线和晶体管的空间结构设计与加工等技术性困难。

实际上,我国学者在1995年就预见了“串音计算”。更准确地说,是“半电路、半电磁场”的计算。笔者在1995年《关于“互容”概念的意义》一文中提出:“在实践上,由于‘互容’可看成是寄生在寄体上‘部分电容’的特定表现,因此,‘互容’概念的建立,意味着有可能将通常不受欢迎的寄生的‘部分电容’用作信号传输的‘元件’。这在特殊电路中应有所考虑。由于互容参数较小,因而可考虑用来实现高集成度的快速的‘神经网络’这类多互联的电路集成(即直接利用寄生的互容参数来实现电路的互联)。”

正是由于我们比美国学者提前20多年预见了串音计算(“半电路、半电磁场”计算),特此撰文呼吁我国进行该类集成电路的研制前景分析,力争实现可能的弯道超车。

作者系天津大学电气自动化与信息工程学院副教授

《中国科学报》 (2019-08-15 第7版 信息技术)
 
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