“摩爾定律”接近物理極限 未來屬于光子芯片?

 “預(yù)計(jì)芯片中集成晶體管的數(shù)量 24 個(gè)月會(huì)提高一倍。”——相信大家對(duì)英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登摩爾提出的“摩爾定律”并不陌生。在過去的四十年里，IT 行業(yè)一直受這一定律的驅(qū)動(dòng)。不過近年來隨著傳統(tǒng)電子芯片發(fā)展速度的放緩，“摩爾定律”正逐漸走向歷史。未來，基于光子技術(shù)的新型芯片，或?qū)⒋蚱齐娐吩南拗?，建造出運(yùn)算速度更快的計(jì)算機(jī)。

“摩爾定律”已接近物理極限

眾所周知，在過去的幾十年里計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展始終遵循著“摩爾定律”——半導(dǎo)體電路晶體管的體積越來越小，單個(gè)芯片上可容納的晶體管數(shù)變得越多，并呈每 18 到 24 個(gè)月翻一番的速度在迭代增長(zhǎng)。而晶體管數(shù)量的增多意味著處理器的速度越快、效率越高——也就是說，同樣價(jià)格電子產(chǎn)品的性能，時(shí)隔 18 到 24 個(gè)月就會(huì)翻倍。

因此為了能在高速發(fā)展的 IT 行業(yè)立足，芯片制造商一直致力于研發(fā)更小的晶體管。目前晶體管的體積已經(jīng)從 1907 的 100 毫米躍升至今天的 14 納米。而去年 10 月美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步，成功研發(fā)出柵極(晶體管內(nèi)控制電流的部件)僅長(zhǎng) 1 納米的晶體管——比一條 DNA 鏈還小(2.5 納米)。

不過隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，“摩爾定律”也逐漸遇到了物理法則的限制，自進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，出現(xiàn)了“放緩”的跡象。目前，晶體管的體積已經(jīng)達(dá)到納米級(jí)別，繼續(xù)縮小的可能性正逐漸變小，“摩爾定律”所欲言的發(fā)展軌跡似乎已逼近極限。

事實(shí)上，芯片界也意識(shí)到晶體管尺寸接近下限這一現(xiàn)實(shí)。去年以英特爾、AMD 和 Global Foundries 為代表的美國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)表報(bào)告稱，到 2021 年，硅晶體管尺寸的縮小將不再是一件經(jīng)濟(jì)可行的事情。取而代之，芯片將以另一種方式發(fā)生改變。

基于光子學(xué)的新型芯片或?qū)⒋蚱七@一僵局

近來，研發(fā)人員將目光從增加晶體管數(shù)量逐漸轉(zhuǎn)移至提升晶體管效率上，希望建造出信息處理效率更高的新型芯片。“與光子學(xué)結(jié)合的芯片技術(shù)，將成為電子行業(yè)的未來。”——以密西根大學(xué)材料學(xué)家 Arnab Hazari 為代表的科學(xué)家表示。

目前，晶體管依賴于電子移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)信息傳遞。而在芯片中由于光子不受電磁阻力等的影響，所以其傳播速度比電子快，可達(dá)二十倍以上。這意味著如果將半導(dǎo)體通路中的電子信號(hào)替換為光子，則芯片在不改變大小的情況下，計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度也能加快數(shù)十倍——如果按“摩爾定律”的邏輯，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需耗費(fèi)十幾年以上的時(shí)間。

而近年來科學(xué)家們?cè)诠庾有酒芯恐械耐黄埔沧C實(shí)了這一方案的可行性。2015 年年末，來自美國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出全球首款利用激光來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓庾有酒?。該款芯片每平方毫米的信息處理速度達(dá) 300Gbps，比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)處理器快 10 倍。這表明，光子芯片在提升計(jì)算機(jī)運(yùn)算速率上具有巨大的潛力。

此外不少公司也抓住了這個(gè)轉(zhuǎn)變的機(jī)遇，紛紛加入新技術(shù)研發(fā)的“戰(zhàn)局”。如英國(guó)公司 Optalysys 正研發(fā)基于光子技術(shù)的、專用于處理基因組數(shù)據(jù)的高性能電腦;而法國(guó)公司 LightOn 則致力于開發(fā)以激光技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

不過光子芯片的研發(fā)現(xiàn)仍處于初級(jí)階段。若要正式落地，真正走向商業(yè)化，研發(fā)人員還面臨著不少挑戰(zhàn)——如何將新型光子芯片與現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的電子通路更好地結(jié)合，如何實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的光子控制技術(shù)等。

Arnab Hazari 總結(jié)道，雖然與已經(jīng)發(fā)展了幾十年的電子芯片相比，光子設(shè)備現(xiàn)階段所能執(zhí)行的任務(wù)較少。但隨著研究的深入，光子芯片將很快趕上傳統(tǒng)芯片的速度，成為新生代計(jì)算機(jī)的核心技術(shù)。