交叉结构纳米计算机

张玉龙

交叉(Crossbar)结构的起源

HP实验室对交叉结构的研究始于1995年，从加州大学化学系调入HP的威廉姆斯(Williams)是这项工作的创始人。他开始认为，要想使纳米计算机运行状态良好，其电路必须是没有缺陷的：而原子随机热运动将破坏纳米器件的正常运行，原子尺度的不规则性也会对纳米器件产生显著影响，可能会破坏其电性能。威廉姆斯因此做出结论：纳米电子学是不可能实现的。

但是与HP计算机专家屈克斯(Kuekes)的一次偶然谈话，极大地改变了威廉姆斯对纳米器件的认识。屈克斯告诉他，Teramac计算机(一种有乘法累加单元、每秒运行太次的超级计算机)虽然有大约22万个内部组件(约占总数的3％)有缺陷，但工作状态良好，秘诀就在于设计该计算机的内部电路时保留了很大的冗余度。在对所有的缺陷进行定位和编码后，计算机程序可以避开或借助外部连接绕开有缺陷的部件。

威廉姆斯立刻意识到，纳米计算机可以借鉴这种处理缺陷的方法。此后，他与来访的加州大学化学家希思(Heath)一起，研究把纳米粒子淀积方法应用于计算机器件的生产。他们合作撰写的“用化学淀积方法生产的计算机器件对缺陷的承受力”的论文受到高度重视，在1998年的《科学》杂志上发表。

1998年，对分子电子学的兴趣也开始复苏。分子电子学的想法是IBM公司的阿维莱姆(Aviram)和西北大学的拉特纳(Ratner)在1974年第一次提出的。然而直到90年代初，耶鲁大学的雷德(Reed)和莱斯大学的图尔(Tour)才真正开始按照分子电子学的思想合成分子、测量分子电性能。当时，国防高级研究计划局(DAPRA)正在支持纳米器件研究，项目负责人沃伦(Warren)和格纳德(Gnade)意识到：新型电子器件的核心在于内部体系结构，应该通过技术协作，为纳米器件确定一种可用的体系结构。

DAPRA提出的要求，是在2年内做出16位存储器。如果完全按照Teramac超级计算机的体系结构来开发纳米器件，需要用5年时间；但是希思、屈克斯和威廉姆斯充分发挥了想象力，在几个星期内就提出一种可行的方案。他们联想到磁随机访问存储器，并通过对Teramac体系结构的高度抽象，最终提出了Crossbar结构。

交叉结构的实现及工作原理

交叉结构的基本原理，是把一套相互平行的纳米导线(导线宽度小于100个原子)与另一套纳米导线做十字交叉，并在这两套导线间填充一种导电能力随电激励而变化的材料。在两根导线上施加合适的电压，通过改变电阻，使两套导线形成的各交叉点都成为可以通断的开关。即，用电化学方法收缩量子隧道的间隙来接通开关，或施加侧面反向电压加宽隧道的间隙来断开开关，形成一个开关矩阵。

希思建议用一种分子滑环(rotaxanes)体系的物质作为填充材料。他把分子滑环材料滴在水面上，使其扩散成一个分子厚的薄膜，然后将薄膜转移到已制成一套纳米导线的基衬表面，再利用金属蒸汽淀积技术制作出上面一套纳米导线，从而完成器件。

在地址译码器中，输入二进制地址需要的导线数量与数位长度相同，比如，4位长的数据串(如0000、0001、0010……)可以指定16个地址。地址译码器允许少量常规导线与大量纳米导线连接，因此，4条微米级导线能够控制16条纳米导线。如果馈入地址译码器的常规导线有k条，它就可以控制2^k根纳米导线。这就体现出了纳米电路的价值。

HP借鉴Teramac计算机“发现和回避”缺陷的经验，解决交叉结构中部分纳米开关存在的缺陷。然而与允许纳米器件有缺陷的最初目标不同，地址译码器必须是完美的。原因很简单：如果地址译码器中的某根常规导线与纳米导线之间的连接中断，则由该常规导线提供地址的k根纳米导线及其下游的所有纳米电路都会丢失数据，将产生灾难性的后果。

HP公司把卫星通讯中在噪声环境下传输数字信息的方法移植了过来。这种方法的基本思路是：首先把1条要传输的信息分成若干个数据段，然后给每个数据段补充一些额外的数位，再用算术表达式对原始的和额外的数位进行运算。如果运算后的数据段在传送中少量出错，只要出错的位数不超出代码长度，就可以在接收端进行反向编码，精确地恢复原始信息。具体的方法是进入地址译码器的导线增加d根，使其数量大于为纳米导线地址赋值所需的最小量。即使出现若干中断，地址译码器仍然能成功地确定所有纳米导线的地址。冗余度取决于连接出现故障的几率，如果地址译码器中连接故障率是0.01，较小冗余度(约40％)就可以使其效率从0.0001提高到0.9999。

通过设置开关阻抗，交叉结构能够执行简单的“与”、“或”逻辑运算，但不能进行“非”运算(即逻辑反转)。此外，逻辑运算会导致导线上电压的降低，从而限制可以进行运算的个数。由于硅集成电路中的晶体管能够执行信号储存和逻辑运算，人们产生了用纳米导线结合晶体管制造逻辑电路的想法，HP小组用“瓦片和马赛克”拓扑结构描述这种逻辑电路。由于这种方法使用现有的集成电路技术，因此最终将受到摩尔定律的限制。作为另外一种选择，HP小组正在研究不用晶体管实现信号反转和存储的技术。

该小组还在构造非常规形式的交叉结构逻辑电路，电路由开关阵列和执行“与”“或”运算的导线组成。其中，开关执行通断操作，其状态由与开关输入端连接的导线的逻辑状态来确定，从而把1位信息从“逻辑”状态转变为“存储”状态。一旦成为存储状态，该信息就能在进一步的逻辑运算中使用。开关输出导线与电源连接，既可以在表示逻辑状态的电压减弱时把它恢复到所需要的值；又可以变更输出导线上代表1和0的电压，实现“非”运算即逻辑反转。再加上已有的“与”“或”运算功能，该逻辑电路就可以执行任何计算了。

交叉结构的现状与发展

尽管有相当一部分人持怀疑态度，但DARPA接受了交叉结构和电化学开关的原理，并授权进行为期2年的试验。在此前之前，希思和斯托达特(Stoddart)研究小组已经过演示证明，电极之间填充分子滑环材料确实能够形成高低阻抗变化的双态现象。2000年，加州大学研究小组第一个演示了可用的16位存储器。HP的小组又于2002年演示了半线宽(即两条相邻导线中心距离的一半宽度，是半导体工业的标准量度方法)为62纳米的64位存储器，2004年演示了半线宽30纳米的1000位交叉结构(而2005年半导体集成电路的半线宽也只达到90纳米)。上述成功促使DARPA下决心为后续计划提供资金，生产存储密度为1000亿位／厘米²的1．6万位存储器。这一目标的门槛设得非常高，它要求的半导体加工能力在2018年之前是难以达到的。

交叉结构的优点是：有序的十字交叉模式易于制造I阵列式结构为提高电路容错率奠定了基础可以灵活应用于多种新的材料和生产流程，有很强的实用性，可用作存储器和逻辑运算器件。这些优点促使世界各研究单位采纳并改进交叉结构和开关原理，如日本国家材料科学研究院和德国尤利希研究中心。各研究小组已提出一系列不同的纳米尺度开关机制，尽管角度和方法各异，但是电开关机制的存在得到广泛认同已是不争的事实。

目前还不能脱离晶体管集成电路去实现计算功能，但是交叉结构已经成为了它们的主要竞争者。交叉结构作为一种新的计算机制还有很多工作需要做，在结构体系、器件物理学和纳米生产工艺三个研究领域必须同步快速前进。要想取得成功，必须有多个既相互竞争又相互合作的研究团体，并确保跨学科的良好协作。

对缺陷的容忍能力将是未来任何纳米电子学方案都必须具备的特性。交叉结构体系在发现和回避有缺陷的部件、并以编码技术对错误进行补偿方面是成功的。未来的电路可能比现有电子器件更皮实。即使开始时缺陷部件的比例比较高，内置的冗余度也将使它们能够抵御会引起电路性能退化的外部力量(如辐射环境)，避免在常规电路中可能引发的灾难性故障。

隧道开关的量子机制特性适用于纳米电路。随着器件特征尺寸的不断减小，器件中电子的量子特性更为凸显。纳米开关应该能够缩小到接近单个原子大小，这也是未来电路缩微化的底线。