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[短评] “半电路、半电磁场”电路的退化形式：“串音”芯片

已有 1313 次阅读 2023-8-2 17:53 |个人分类:集成电路（资料）|系统分类:科研笔记

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[短评] “半电路、半电磁场”电路的退化形式：“串音”芯片

术语 terminology

电路： electric circuit

电磁场： electromagnetic field

集成电路： integrated circuit

串音： crosstalk

干扰： interference, interfere

互容： mutual capacitance

载流子： charge carrier, charged carrier

一、什么是“串音”芯片

Naveen Kumar Macha, Md Arif Iqbal, Bhavana Tejaswini Repalle, Mostafizur Rahman. On circuit developments to enable large scale circuit design while computing with noise [J]. Integration, the VLSI journal, 2022, 84(无期号): 62-71.

doi: 10.1016/j.vlsi.2022.01.002

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167926022000025

里介绍的很准确。摘录如下：

This scalability is now being challenged [3] due to the lack of scaled transistors’ performance, leakage, and manufacturing complexities [4]. Specifically, the challenges are device and fundamental material limitations such as quantum mechanical effects [5,6], short channel effects [7], process variation [3], and device parasitics [3], etc. Recent research directions like neuromorphic computing [8–15], Quantum-dot Cellular Automata (QCA) [16], Single-Electron Transistors (SET) [17], nanomagnetic and spintronic devices [18,19], Quantum Computing [20], etc. are promising. However, they lack significant technology and ecosystem development (from device and circuit to chip design) and suffer from reliability and variability issues. Moreover, some of these approaches, like Quantum Computing and Neuromorphic Computing, from their current device and circuit development, reveal that they cannot serve as a complete replacement solution for CMOS digital Chips but can only solve specific problems efficiently [36–41]. Therefore, there is a need to explore alternate computing approaches based on nanoscale mechanisms/effects and possess the strong merits of conventional CMOS computing and provide Power, Performance, and Area (PPA) improvements over CMOS.

缩小的晶体管的性能、泄漏和制造复杂性[4]的欠缺，这种可扩展性（注释：摩尔定律）现在正受到挑战[3]。具体而言，这些挑战是器件和基本材料的各种限制，如量子力学效应[5，6]、短沟道效应[7]、工艺变化[3]和器件寄生[3]（注释：parasitic capacitance 寄生电容, parasitic inductance 寄生电感）等。最近的研究方向，如神经形态计算[8-15]、量子点细胞自动机（QCA）[16]、单电子晶体管（SET）[17]、纳米磁和自旋电子器件[18，19]，量子计算[20]等是有前景的。然而，它们缺乏重要的技术和生态系统开发（从设备和电路到芯片设计），并且存在可靠性和可变性问题。此外，其中一些方法，如量子计算和神经形态计算，从其当前的设备和电路开发来看，表明它们不能作为CMOS数字芯片的完整替代解决方案，只能有效地解决特定问题[36-41]。因此，需要探索基于纳米级机制/效应的替代计算方法，并具有传统CMOS计算的强大优点，并提供比CMOS更高的功率、性能和面积（PPA）。

Crosstalk computing is a new computing framework where the interconnect interference between nanoscale metal lines is intentionally engineered to exhibit the programmable Boolean logic behavior. The reliance on just the coupling between metal lines and not on the transistors for computing and the programmability aspects are the foundations for better scalability, fault tolerance, and security [21–28,42,44].

串音计算是一种新的计算框架，其中纳米级金属线之间的互连干扰被有意设计为表现出可编程的布尔逻辑行为。仅依赖金属线之间的耦合而不依赖晶体管进行计算和可编程性方面是更好的可扩展性、容错性和安全性的基础[21-28，42，44]。

To the best of our knowledge, as of now, there is no prior work in the area of the Crosstalk computation. Most of the research is done on calculation the amount of Crosstalk generated from a circuit and how to mitigate them. Interestingly, Crosstalk Computing does not require complete technology development, as in the case of emerging technologies. It can be realized with the established manufacturing setups of foundries; it leverages the existing fabrication flows, techniques, tools, and materials. As Crosstalk Computing uses the Silicon-based fabrication technology matured over 60 years, the defects and variability issues are expected to be less; thus, reliability and fault tolerance will be better than the other emerging nanoelectronics devices and circuits.

据我们所知，到目前为止，在串音计算领域还没有任何先前的工作。大多数研究都是关于计算电路产生的串音量以及如何减轻串音的。有趣的是，串音计算并不需要像新兴技术那样进行完整的技术开发。它可以通过现有的制造设备来实现；它利用了现有的制造流程、技术、工具和材料。由于串音计算使用了60多年来成熟的硅基制造技术，缺陷和可变性问题预计会减少；因此，可靠性和容错性将优于其它新兴的纳米电子器件和电路。

要点：

（1）神经形态计算、量子点细胞自动机、单电子晶体管、纳米磁和自旋电子器件、量子计算，虽有前景，但会遇到芯片设计与生产设备等难题。

（2）量子计算、神经形态计算，从原理上看无法真正替代 CMOS 数字芯片。

（3）串音计算，利用纳米级金属线之间的互连干扰传输信号，来进行逻辑计算。不仅减少了晶体管，还具有更好的可扩展性、容错性和安全性。

串音芯片只需要目前已有的生产技术，不会遇到生产与技术方面的新难题。

评论：

串音计算，大有前途。是重振计算科学技术的未来可能途径之一。

该评论的权威出处：

Samuel K. Moore. 4 strange new ways to compute [News][J]. IEEE Spectrum ( Volume: 55, Issue: 1, January 2018): 10-11.

doi: 10.1109/MSPEC.2018.8241695

https://ieeexplore.ieee.org/document/8241695

对应的汉语介绍，请看闵应骅教授（IEEE Life Fellow）的介绍吧！放开思路，重振计算科学技术 (180112)：

https://blog.sciencenet.cn/blog-290937-1094444.html

此判断，还可以对照王阳元院士（2021）、宋继强（英特尔中国研究院院长，2019）等各位老师们的文献。已经列在下面。

二、正在探索“串音”芯片美国小组

Dr. Mostafizur Rahman 在

University of Missouri Kansas City （密苏里大学堪萨斯分校）

的

Nano-Computing Research Group （纳米计算研究小组）介绍：

https://computing-lab.com/group/dr-mostafizur-rahman/

Logic with Wires: New Computing Direction Leveraging Interconnect Crosstalks （用导线做逻辑：利用互连串音的新计算方向）

https://computing-lab.com/crosstalk/

三、“半电路、半电磁场”电路的退化形式：“串音”芯片

3.1 中国人 1995年提出了“直接利用寄生的‘互容’参数来实现电路的互联”的理论设想

中国人 1995年在《关于“互容”概念的意义》第 38 页写到：

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）。

3.2 中国人 2019-04-06 公开了“半电路、半电磁场”电路原理

https://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=68642

电磁信号的一部分通过导体传递，另一部分直接以电磁场的方式通过空间（绝缘体）直接传递。

实际上，傻 1995年就是这样想的。在《关于“互容”概念的意义》只提到“寄生的‘互容’参数”。主要是受到该文主要内容的限制。学电工的，都知道还有“寄生的‘互感/电感’参数”可以类似地利用。

即，直接利用电磁场的信号传输与加工。

3.3 中国人 2020-10-14 建议我国进行“半电路、半电磁场”集成电路的研制

https://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=76039

简言之，主流的集成电路进步主要靠“材料、工艺”两大方面；

实际上还存在第三方面：新的电路设计原理。后者就是我1995年的设想。

集成电路，实质是微缩的电路。先是电路设计，后有芯片加工。目前的芯片业主要热情在芯片加工方面，如高性能的光刻机，新型半导体材料等。除了“半电路、半电磁场”集成电路）构想，尚未见到其它在“新的电路设计原理”方面的公开报道。建议我国进行“半电路、半电磁场”集成电路研制，从原理上看：“半电路、半电磁场”集成电路，由于占用的面积小，具有用低精度光刻机生产高密度集成电路的可能性。如利用10nm技术生产与5nm CMOS等效的集成电路。

四、你为什么没有推动“半电路、半电磁场”电路研制？

回答：我已经“推”了，但是力量太小，还没有“动”起来。

提问：你在尽力“推动”吗？

回答：是的，我已经竭尽全力了。

因为：

（1）我是基础课教师，要做教学的。

（2）“半电路、半电磁场”电路，没有“P对NP”问题更重要吧？

（3）“半电路、半电磁场”电路，没有“电磁学的实验再检验”更重要吧？

（4）从可实现性看，“半电路、半电磁场”电路，近期没有“利用季风的风电空间相关性预报、低风速风机”对我国更重要吧？

尽管“半电路、半电磁场”电路对人类进步的重要性，大体相当于“晶体管 + 集成电路”的发明，但真正“工业化生产”，还需要若干次的“技术创新”。多年来，我“没有时间吃饭、没有时间睡觉”，实在没有更多的精力了。

我十分羡慕居里夫妇当初的科研条件：“时间、材料、实验室”等多种条件，应有尽有。尤其“实验室”，原来是个“停尸房”，所以基本上无人打扰。

五、一些可能的建议

（1）“半电路、半电磁场”电路，真正用于工业生产，可能还需要 50年（也许是 30年）左右的时间？

（2）我国应建立长期稳定的研究小组，相关人员用大约一半时间进行该方面的学习、跟踪、研究，即可。

（3）国外研究，一旦接近可工业化生产，我国可以及时跟进。与国外在这方面的研究基本持平，没有明显的“代差”，即可。

（4）由国家出面组织、感兴趣青年人参加，即可。

可以分成“基础理论组”、“硬件设计组”、“大规模生产工艺与设备组”等若干研究小组，既有重点研究内容，又有相互之间密切配合。合在一起，就是接近该类芯片工业生产的技术储备。

（5）作为“半电路、半电磁场”电路构想的理论提出者，我 1995年的论文，大体上相当于 1952年英国的杜默 (Geoffrey William Arnold Dummer) 提出集成电路的构想：把一个电路所需的晶体管和其它器件制作在一块半导体上。

（6）我现在做的，有点类似凯利（Mervin Joe Kelly）推动“晶体管”的发明。

更具体的工作，还是请 William Bradford Shockley, John Bardeen, Walter Houser Brattain; Zhores I. Alferov, Herbert Kroemer, Jack S. Kilby

The Nobel Prize in Physics 1956.jpg

图1 The Nobel Prize in Physics 1956 诺贝尔物理学奖

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1956/summary/

The Nobel Prize in Physics 2000.jpg

图2 The Nobel Prize in Physics 2000 诺贝尔物理学奖

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2000/summary/

以及 Robert Norton Noyce

Robert Noyce American engineer britannica.png

图3 诺伊斯 Robert Norton Noyce

https://www.britannica.com/biography/Robert-Noyce

们去做吧！

六、傻，你干什么呢？

（1）主要研究精力还是放在“利用季风的风电空间相关性预报、低风速风机”。这方面作为主要精力投入，已经 10年以上了。依托“机理 + 辨识”预测策略，我们的思路明显世界领先。

（2）其余精力用于“电磁学的实验再检验”相关的实验原理设计。

（3）至于“P对NP”问题，10多年前早就完成了。

核心结果“1+3”里的“1+2”已经在 2011年（之前）公开发表。还差“概率化的弱证明”没有发表。

实际上，用不了多少精力。主要是还没有找到“希尔伯特”这样的审稿专家。反过来，要是不幸遇上“柯西”审稿，我的精力可就白费了。

实质上，“P对NP”问题的核心答案“NTM相当于DTM的幂集”，在1995年（之前）就已经“发表”了。是比“1967年朗兰兹 Robert Phelan Langlands 写给韦伊 André Weil 的信”要公开多的发表！！

剩下的精力，闭上眼睛，用“耳朵听音乐”，完成指定的音乐学习，为完成“创作”两首歌的伟大任务而奋斗！

以上，假如我还活着的话。

人命只在呼吸之间。

下一口气，没有喘上来：这个世界就和我没有关系了。

参考资料：

[1] 杨正瓴. 关于“互容”概念的意义. 南京: [J]电工教学, 1995, 17(4): 35-39.

http://qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=2000725&from=Qikan_Search_Index

https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DQDZ199504010.htm

https://d.wanfangdata.com.cn/periodical/QK199500046092

[2] 杨正瓴. 一种新型集成电路概念——串音计算. 北京: [N]中国科学报, 2019-08-15, 第7版信息技术.

http://paper.sciencenet.cn/dz/dzzz_1.aspx?dzsbqkid=33013

http://paper.sciencenet.cn/dz/upload/2019/8/201981505629684.pdf

https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/8/348727.shtm

[3] 天津大学，2019-07-05，现代电工电子技术中心召开期末交流总结会

http://news.tju.edu.cn/info/1014/45900.htm

[4] William Bradford Shockley, John Bardeen, Walter Houser Brattain, The Nobel Prize in Physics 1956

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1956/summary/

[5] Zhores I. Alferov, Herbert Kroemer, Jack S. Kilby, The Nobel Prize in Physics 2000

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2000/summary/

[6] Robert Noyce, American engineer, Britannica

https://www.britannica.com/biography/Robert-Noyce

[7] 中国科学院科学智慧火花，2019-04-06，“半电路、半电磁场”的集成电路设计构想

https://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=68642

[8] 中国科学院科学智慧火花，2020-10-14，建议我国进行“半电路、半电磁场”集成电路的研制

https://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=76039

[9] 闵应骅，2018-01-12，放开思路，重振计算科学技术 (180112) 精选

https://blog.sciencenet.cn/blog-290937-1094444.html

[10] 王阳元. 掌握规律，创新驱动，扎实推进中国集成电路产业发展[J]. 科技导报, 2021, 39(3): 31-51.

WANG Yangyuan. Solidly promoting the integrated circuit(IC) industry of China: Mastering law and adhering to innovation. Science & Technology Review, 2021, 39(3): 31-51.

doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2021.03.002

http://www.kjdb.org/CN/Y2021/V39/I3/31

[11] 刘晨晨, 张志勇. 碳基CMOS集成电路技术: 发展现状与未来挑战[J]. 中国科学: 化学, 2021, 51(11): 1457-1473.

doi: 10.1360/SSC-2021-0075

https://www.sciengine.com/SSC/doi/10.1360/SSC-2021-0075

[12] Shunli Ma, Tianxiang Wu, Xinyu Chen, Yin Wang, Hongwei Tang, Yuting Yao, Yan Wang, Ziyang Zhu, Jianan Deng, Jing Wan, Ye Lu, Zhengzong Sun, Zihan Xu, Antoine Riaud, Chenjian Wu, David Wei Zhang, Yang Chai, Peng Zhou, Wenzhong Bao. An artificial neural network chip based on two-dimensional semiconductor [J]. Science Bulletin, 2022, 67(3): 270-277. (2022) |

doi: 10.1016/j.scib.2021.10.005

https://www.sciengine.com/SB/doi/10.1016/j.scib.2021.10.005

[13] 温娟, 黄鹤鸣, 王哲, 郭新. 基于离子型忆阻器的神经形态系统: 从材料、器件到芯片[J]. 科学通报, 2022, 67(11): 1054-1071.

doi: 10.1360/TB-2021-1072

https://www.sciengine.com/CSB/doi/10.1360/TB-2021-1072

[14] 宋继强. 智能时代的芯片技术演进[J]. 科技导报, 2019, 37(3): 66-68.

doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2019.03.010

http://www.kjdb.org/CN/abstract/abstract15236.shtml

[15] Computer History Museum, TIMELINE

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