为了应对后摩尔时代的到来，美国国防高级研究计划署(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)启动了一项电子复兴计划(Electronics Resurgence Initiative, ERI)，计划在五年内斥资 15 亿美元(约 102 亿人民币)彻底改变微电子业的工作方式，重建一个更加专业化、安全和高度自动化的电子产业群。
近日，ERI 公布了第一批获得资金的科学家、公司和机构的最新情况。在所有获资的 42 个项目中，有一项显得尤为鹤立鸡群。来自麻省理工学院 ( MIT) 的 Max Shulaker 所领导的研究小组获得了最大份额的资助——高达 6100 万美金。
在该研究小组的项目中，一项称为“利用致密细粒度的单片三维集成技术彻底改革计算系统”(Revolutionizing Computing Systems through Dense and Fine-Grained Monolithic 3D Integration)的项目雄心勃勃：团队计划利用单片三维集成系统，使数十年前的旧制造工艺(90 纳米制造工艺)所制造的芯片能与目前最先进技术所制造的芯片相媲美。
图 | Max Shulaker
该项目主要依赖于在普通 CMOS 逻辑芯片上构建碳纳米管晶体管和电阻式 RAM 存储器的而技术，而该技术正是由 MIT 电子与计算工程学助理教授 Max Shulaker 及其在斯坦福大学的同事 Subhasish Mitra 和 H.-S. Philip Wong 所合作开发的。
在去年的《自然》期刊上，Max Shulaker 团队就发表了这一重大成果：将 200 万个 CNT 晶体管以及 100 多万个电阻 RAM 存储单元构建于单片硅芯片之上，层与层之间通过致密排列的金属互联相连接，构造出一个用于酒精嗅探的多层电子鼻(electronic nose)装置。值得注意的是，一家称为 AkyWater Technology Foundry 的公司的参与使得这项成果不仅仅是一场炫酷的科技演示。
图 | SkyWater Technology Foundry
SkyWater 公司的设备主要用于处理 200 毫米的晶圆，并采用 90 纳米的工艺技术制造芯片。这项工艺在 2004 年还算的上是 200 毫米晶圆加工的尖端技术，但大型公司早在 15 年前就开始放弃这种技术了。然而，DARPA 为什么要对这样一个“过气的”制造厂投入如此多的资金呢?
听了该公司总裁 Thomas Sonderman 的观点，你就会觉得虽然这似乎不是最好的选择，但这可能是唯一的选择。
因为它(指 90 纳米工艺)是一个非常可靠的工艺，并且广泛用于生产小批量芯片。“政府的许多工作是围绕 90 纳米工艺完成的，”Sonderman 说。“因此，开发一种能够进化到更高性能，但仍然遵循 90 纳米工艺的技术是非常重要的。”
据 Sonderman 透露，除此之外，处于当前大国技术竞争的背景之下，DARPA 也希望将该技术能留在美国本土，而 SkyWater 是目前国内唯一一家美国独资的专营晶圆代工厂。如果 DARPA 选择在像桑迪亚(Sandia)这样的国家实验室开发该技术，成果可能会依赖于不寻常的设备和专业技术。此外，如果要用于防御应用之外的商业用途，则仍需要移植到其他商业制造厂。Sonderman 称，“在同一家工厂开发这种技术，你就可以开足马力生产出更多的产品”。
除此之外，并非每个工厂都愿意使用非标准材料如碳纳米管等，因为如果处理不当，很可能会污染其他客户的产品。
Sonderman 解释道：“当你想要引进一些材料如超导材料的时候，就需要制定一整套的协议，并且将其放在 CMOS 流程的同一条生产线上。我们不仅制定了这些协议，并且我们在这方面有大约 10 年的经验。我认为这是我们真正的优势之一，这也是外界很难与 SkyWater 竞争的原因。”
在接下来的三年里，麻省理工学院的 Shulaker 团队将专注于开发可量产的制造工艺，斯坦福团队将开发设计工具，以帮助工程师充分利用 CMOS、CNT 晶体管和 RRAM 层叠所提供的增强性能。而 Skywater 公司将致力于在其工厂开发并测试一套高产的“工艺流程”。
Sonderman 说：“美国政府对于建立一个不仅能在实验室工作，并且可以供传统的工厂模型使用的工艺流程十分感兴趣。因为这意味着你不仅拥有技术，还能创建一个供客户使用的工艺流程。”
对于 SkyWater 以及其他小型制造厂来说，能够在不需要高价置换先进技术的前提下就提高最终性能，这将是一个巨大的胜利。几十年来，摩尔定律的发展已经开始展露疲态，半导体行业不断缩小的特征尺寸已经变得过于昂贵。Sonderma 称，最新的基于极紫外光刻技术的工艺动辄需要数十亿美元的投资，而维持这些产品生存的产量，对于服务小型互联网用户并无益处。如果未来一切按计划进行，将标准重新设回 90 纳米，那么我们就能持续扩大生产规模。
