层层堆叠：芯片要变"摩天大楼"

【英国《新科学家》周刊10月7日一期文章】题：加电（作者　吉姆　贾尔斯）
19世纪初，曼哈顿的居民们发现生活空间日渐狭小。他们想出的解决办法很简单：随着房价上涨，把楼层也逐渐加高。一个世纪之后，计算机芯片制造公司也面临同样的危机。它们要把越来越多的电子元件排列到芯片上，这使芯片上的空间也日益珍贵起来。现在采取的办法是把晶体管越做越小。然而，由于微型化的极限已近在眼前，所以工程师们必须找到制造出功能更强、速度更快芯片的方法。
一个显而易见的方法是向曼哈顿学习，用硅制造出半导体的摩天大厦。有很多计算机设计小组正在为创造出这样的新"都市风景"制订计划。如果科学家能够像纽约的房地产开发商那样取得成功，计算机的速度有可能提高好几百倍。
对外行人来说，造立体芯片的想法显得有些奇怪。如果仅仅是为了使芯片包含更多的电子元件，为什么不把芯片做大一些呢？但是，芯片的面积越大，生产芯片时出差错的可能性也越大。目前，几乎没有哪家芯片生产厂的出错率低于50％。大些的芯片固然有更多的空间，但是如果这样的芯片无法工作，那也是得不偿失。
所以，人们只好采取这样的办法：把芯片一层一层地堆积起来。在这个过程中，遇到的最大困难是如何联接这些芯片。
在边缘联接
把连线引到芯片的边缘然后再把芯片联接起来，是一种解决办法。加利福尼亚州科斯塔梅萨的欧文传感器公司（Irvine　Sensors）已采用这种方法做成一些系统，美国陆军计划把这些系统使用在可穿戴的计算机中。这家公司说已做成的系统共有52层，使用了10种不同的芯片。研究人员把处理器、接口和存储器放在比常见的骰子大不了多少的一些小方盒中。尽管这种系统功能强大，但是把这些芯片联接起来却很不容易，所以这是一种非常昂贵的解决方案，可能只有军方才能负担得起。
把芯片上下联接起来理论上讲是可以的。但是据说，尽管美国政府和英特尔等芯片制造商已投入6000万美元研究这项技术，至今还没有获得什么成果。工业界迄今为止还未找到让电线穿过硅芯片并且使它们绝缘的办法
在加利福尼亚州的硅谷，真硅技术公司（Tru-Si　Technologies）已开发出一种能使硅芯片减肥的"大气顺流等离子"新技术。该公司说，这项技术能够把叠加芯片的成本降下来。这家公司的目标是在未来几年中把10块相互联接的芯片叠加起来。目前，这家公司在一块芯片上能够制造出大约100个联接。这在数量上与从边缘联接没多大的差别，但是垂直联接具有很大的优势。信息传送的距离可以缩短好几个毫米，这样芯片层之间的通信能够以更快的速度进行，从而使整个处理器的速度得到提高。
"液体联接"
更多的联接意味着在芯片间的瓶颈上耗费的时间越少，因而速度会有更大的提高。因此，伦敦大学学院图像处理小组的迈克尔·福肖正在从一个不同的角度解决问题。
福肖的研究小组研究的是三维芯片。他试图用这种称为CLIP4A的芯片制造出能够像人脑一样处理图像的计算机，从而使图像处理技术达到一个新境界。人脑在处理图像时，不是一点一点地处理，而是利用视觉皮层同时处理整个图像。在我们意识到正在观看什么之前，图像处理要经过几个阶段，而在每个阶段都会有一组不同的神经细胞处理这幅图像。
对福肖来说，把芯片堆积起来正好能够模仿人脑的这种图像处理机制，因为每层芯片正好能够充当皮层中的不同层次。在欧洲一些合作者的帮助下，福肖已创建了CORTEX项目，这个项目的目标是以较低的成本制造福肖所需的芯片。与大型美国芯片制造公司的研究经费相比，福肖承认自己的项目规模很小。不过他认为自己的"液体联接"方法却是别人没有的新东西
表面上看，用液体制造导线似乎荒诞不经，但是福肖要用的液体不是普通的液体。他的同行利兹大学的理查德·布什比正在研究一类称为圆盘液晶的物质。这种晶体的圆盘状分子能够像液体一样流动，但是在合适的条件下又会自己组成圆柱。
这种结构的另一个性质是，当把电荷注入到这些分子的中心时，这些圆柱开始具有分子导线的功能。电流能够垂直通过液晶，但是在水平方向上却不导电。这样，一个液晶薄层应能为人们提供大量的联接。福肖的目标是在每块芯片上做几千个联接。
这个研究小组目前正在设法把2到3块芯片联接起来。他们的工作是从一块只有几个晶体管的芯片入手，把芯片的硅基做得越来越薄，使之足以能够与下面的一层液晶联接。位于下方的芯片在表面上有一系列金属垫片，可以接收液晶分子电线传来的电流。
这种方法的好处之一是，即使联接排列得很紧密也不会出现短路的情况。而别的方法在一个联接与另外一个联接熔为一体时会产生短路。
福肖警告说，在CORTEX计划做出实际可行的芯片组之前还要走很长的路。目前在硅片上打洞的技术——比如用离子束射穿硅片——还无法产生排列紧密、用于容纳联接导线的小洞。这个研究小组还要解决如何把电能输入到每块芯片中以及如何使芯片对齐从而使液晶与每块芯片的正确部位相联这些问题。
冷却问题
持怀疑态度的科学家，想知道这些研究小组怎样才能使他们的器件不致过热。把芯片层层堆叠起来会使电子器件用于散热的表面积急剧减少，从而导致用硅造出的摩天大厦由于散热不畅而"中暑"。
真硅技术公司的总裁萨瓦斯蒂乌认为，合理安排不同芯片的叠加顺序能避免芯片过热。他认为，把温度要低得多的存储器芯片夹在产生大量热量的逻辑运算芯片之间，可以解决芯片过热问题。
不管结果如何，三维芯片正在从研究设想走向市场。它们或许不久就会加入到使运算能力一直向前发展的众多卓越发明之列。到那时，只有天的高度才是极限。