硅电脑芯片已经推出了半个世纪，变得越来越强大。但创新的步伐正在放缓。今天，美国军方的国防高级研究计划局（DARPA）宣布了一项总额为7,500万美元的新补助计划，旨在通过对碳纳米管等新设计和材料的基础研究，重振芯片产业。在接下来的几年里，支持学术和行业科学家的DARPA计划将在5年内每年增长到3亿美元，总计15亿美元。

“这是实现这一目标的关键时刻，”宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基梅隆大学计算机科学政策专家Erica Fuchs说。

1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）发表的观察结果将成为他的同名“法律”：芯片上的晶体管数量每两年增加一倍，时间范围后来减少到每18个月一次。但小型化芯片的收益正在减少。剑桥麻省理工学院的电气工程师Max Shulaker说，如今，芯片速度已经停滞不前，而新一代芯片的能效只提高了30％。新泽西州Holmdel的诺基亚贝尔实验室的无线通信专家Gregory Wright说，制造商正在接近硅的物理极限。他说，电子仅限于100个原子宽的硅片，迫使复杂的设计阻止电子泄漏并导致错误。“我们的房间已经没空了，”他说。

此外，密歇根大学安娜堡分校的计算机科学家瓦莱里娅·贝尔塔科（Valeria Bertacco）表示，只有少数几家公司能够负担得起数十亿美元的制造工厂，这些工厂制造芯片，扼杀曾经由小型创业公司主导的领域的创新。Fuchs说，一些大公司正在分道扬，为特定任务设计专用芯片。这降低了他们为共享的竞争前基础研究付费的动力。根据Fuchs及其同事的一项研究，参与此类工作的北卡罗来纳州达勒姆半导体研究公司的公司数量从1996年的80下降到2013年的不到一半。

DARPA正在努力填补这一空白，为Shulaker等研究人员提供补助。他正在使用由碳纳米管制成的晶体管制作3D芯片，这种晶体管比硅晶体管更快更有效地开关。今天的公司已经开始使用硅片制作3D芯片，以便将逻辑和存储器功能紧密结合在一起，从而加快处理速度。但芯片由于在芯片层之间传输信息的庞大且稀疏的布线而变慢。并且由于2D硅芯片层必须在超过1000°C的温度下单独制造，因此无法在集成制造计划中构建3D芯片而无需熔化下层。

Shulaker说，碳纳米管晶体管几乎可以在室温下制造，为密集的集成3D芯片提供了更好的途径。尽管他的团队的3D芯片将具有比最先进的硅设备大10倍的功能，但它们的速度和能效预计将提高50倍 - 这对于耗电量大的数据中心来说是一个潜在的好处。

DARPA计划还支持对灵活芯片架构的研究。坦佩亚利桑那州立大学的无线通信专家丹尼尔布利斯和他的同事们希望利用可以即时重新配置以执行专门任务的芯片来改善无线通信。Bliss正致力于利用软件而非硬件混合和过滤信号的无线电芯片 - 这一进步将使更多设备能够无干扰地发送和接收信号。他说，这可以改善移动和卫星通信，并使物联网快速增长，无数设备彼此之间进行通信。

为加利福尼亚州帕洛阿尔托的斯坦福大学的研究人员提供的另一项DARPA拨款将用于改进用于芯片制造的计算机工具。这些工具通过一种称为机器学习的人工智能来验证新颖的芯片设计。它们将有助于自动化检测由数十亿个晶体管组成的芯片中的设计缺陷的大部分手动过程，并可加快公司设计，测试和制造新芯片架构的能力。

即使只有一小部分新项目成功，DARPA项目“将彻底改变我们设计电子产品的方式，”斯坦福电气和计算机工程师Subhasish Mitra以及3D碳纳米管和电路验证项目的研究员表示。他表示，这也将促使工程师们超越硅，而硅已经在研究领域占据了数十年的主导地位。“当我还是学生时，生活很无聊，”米特拉说。“很明显，硅会沿着已知路径向前移动。现在，绝对清楚的是，未来不是。“