硅芯片極限終結(jié)：怎樣的替代品？

時(shí)間：2013-02-26 05:15:34

關(guān)鍵字：硅芯片碳納米管晶體管斯坦福

手機(jī)看文章

掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章

[導(dǎo)讀]根據(jù)摩爾定律，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，硅芯片遲早有一天會(huì)因?yàn)槌叽鐭o(wú)法繼續(xù)縮小而走向終結(jié)。哪種材料能替代硅芯片呢？斯坦福的研究團(tuán)隊(duì)的最新研究成果表明，碳納米管或許會(huì)成為替代

根據(jù)摩爾定律，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，硅芯片遲早有一天會(huì)因?yàn)槌叽鐭o(wú)法繼續(xù)縮小而走向終結(jié)。哪種材料能替代硅芯片呢？斯坦福的研究團(tuán)隊(duì)的最新研究成果表明，碳納米管或許會(huì)成為替代材料，該技術(shù)可將芯片縮小至5納米的極限尺寸。

以下是文章全文：

在接下來(lái)十年左右的時(shí)間里，在電腦硅芯片上蝕刻電路預(yù)計(jì)將變得越來(lái)越艱難，因?yàn)樾酒奈锢沓叽珉y以無(wú)限變小，這促使人們尋找替代材料來(lái)取代硅芯片的地位。

哪種材料能替代硅芯片呢？部分研究者對(duì)碳納米管寄予厚望。本周一，斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)成功地演示了一個(gè)簡(jiǎn)單的微電子電路，該電路是由44個(gè)完全以絲狀纖維制成的晶體管組成。

來(lái)自斯坦福的研究團(tuán)隊(duì)在舊金山舉行的一次科技會(huì)議上展示了這個(gè)電路。他們展示的技術(shù)進(jìn)步是迄今最能證明當(dāng)硅芯片尺寸達(dá)到物理極限時(shí)，碳納米管可能會(huì)成為一種未來(lái)的替代材料。

在各大科技廠商中，IBM是建議將碳納米管應(yīng)用于微電子領(lǐng)域的強(qiáng)力支持者之一，該公司已經(jīng)明確表示希望碳納米管技術(shù)將在接下來(lái)的十年內(nèi)準(zhǔn)備就緒，屆時(shí)預(yù)計(jì)半導(dǎo)體芯片的尺寸將縮小至5納米的極限尺寸。但截至目前，各大學(xué)和芯片廠商的研究人員還只能成功地將碳納米管用于單獨(dú)器件的制作，如制作晶體管等。

斯坦福大學(xué)所展示的這一技術(shù)進(jìn)步則標(biāo)志著完整的工作電路已被創(chuàng)造出來(lái)，表明這種材料可能真的會(huì)達(dá)到人們的期望。

硅是一種普遍存在的自然元素，既可當(dāng)做導(dǎo)體，也可當(dāng)做絕緣體。硅芯片的生命周期相較計(jì)算機(jī)工程師原本的設(shè)想已經(jīng)長(zhǎng)了數(shù)十年，這是因?yàn)殡m然晶體管的尺寸在一代代變小，但人們總有相應(yīng)的先進(jìn)工藝在上面蝕刻電路。在計(jì)算機(jī)芯片行業(yè)中，被用于蝕刻電路的硅芯片已經(jīng)變得比光的波長(zhǎng)還要細(xì)小，而且工程師和科學(xué)家們相信，硅芯片的尺寸還有繼續(xù)縮小的空間，至少目前的情況是這樣的。

但是，硅材料的物理尺寸極限終有一天會(huì)到來(lái)，從而終結(jié)由摩爾定律所定義的微電子時(shí)代。摩爾定律是由英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)于1965年提出來(lái)的，它指出：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量大約每隔18個(gè)月便會(huì)翻一番，性能也將提升一倍。

斯坦福大學(xué)所取得的這一技術(shù)進(jìn)步看起來(lái)支撐了這樣一種信念：無(wú)論硅材料時(shí)代何時(shí)終結(jié)，尺寸不斷縮小的工藝進(jìn)程仍能繼續(xù)下去，設(shè)計(jì)師在長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來(lái)仍能繼續(xù)提高電腦芯片的性能。

1 2

在本周于舊金山舉行的的年度”國(guó)際固態(tài)電路大會(huì)“(International Solid-State Circuits Conference)上，斯坦福大學(xué)的研究生馬克思·蘇拉客(Max Shulaker)走上一個(gè)臨時(shí)搭建的講臺(tái)做了簡(jiǎn)單的演示，他選擇了一只人手大小的木頭手，連接上一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)動(dòng)機(jī)和齒輪裝置，打開開關(guān)，然后這只木頭手就充滿活力地?fù)u擺起來(lái)。

演示雖然簡(jiǎn)單，但該團(tuán)隊(duì)表示，他們的目標(biāo)是要制造一個(gè)使用碳納米管構(gòu)成的完整的微處理器，以證明這種材料的潛力。除了尺寸很小以外，碳納米管相較現(xiàn)在的硅材料還具備低能耗和切換速度快的優(yōu)點(diǎn)。

斯坦福大學(xué)電子工程學(xué)副教授、Robust Systems小組負(fù)責(zé)人薩布哈斯·米特拉(Subhasish Mitra)表示：“(采用該材料)系統(tǒng)層面的省電至少可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。”他指出，這為未來(lái)個(gè)人移動(dòng)設(shè)備的電池續(xù)航能力提供了巨大的提升空間。

其它新材料和多種硅基晶體管升級(jí)技術(shù)也正處于研究過(guò)程中。例如，英特爾去年開始使用一種名為FinFET的3D晶體管，該晶體管可讓芯片的表面能夠容納更多的晶體管，可以使更小尺寸的硅片具備等同和更好的性能。

斯坦福大學(xué)電子工程學(xué)教授菲利普·王(H.-S. Philip Wong)稱：“我不是說(shuō)沒有其它材料可以使用。問題僅在于當(dāng)尺寸縮小到非常細(xì)小的程度時(shí)，哪種材料會(huì)勝出。”

研究人員所面臨的挑戰(zhàn)是碳納米管互相交織的微粒會(huì)組成一個(gè)龐大的“毛球”。不過(guò)，通過(guò)化學(xué)方法在石英表面進(jìn)行培育，研究人員能夠?qū)⑵溥M(jìn)行密切、整齊地排列，然后轉(zhuǎn)到一個(gè)硅晶片上，再使用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)來(lái)制作工作電路。

這樣處理后，雖然只有很少一部分的線路會(huì)出現(xiàn)排列不整齊的現(xiàn)象，但想要制造可靠的電路，研究人員還一直面臨技術(shù)障礙。斯坦福大學(xué)的這個(gè)研究組表示，他們擁有完善的電路技術(shù)來(lái)解決這種線路排列不整齊的難題。

米特拉指出：“從幻燈片上看，99.5%的線路看起來(lái)都非常好；但當(dāng)微粒數(shù)量達(dá)到100億級(jí)別時(shí)，0.5%也是一個(gè)非常龐大的數(shù)字，足以讓一切都變得亂七八糟。”

根據(jù)《科學(xué)》雜志今年2月1日刊登的一篇文章，除了微電子領(lǐng)域外，碳納米管還在許多其它商業(yè)領(lǐng)域呈現(xiàn)出潛在應(yīng)用前景，例如可充電電池、自行車車架、船體、太陽(yáng)能電池和濾水器等。

1 2