硅芯片大限不遠：碳納米管將成下一代材料?

遲早有一天使用硅為材料制造日益變小的電路的極限將會到來，從而終結摩爾定律。碳納米管技術可將半導體縮小至5納米的極限。
北京時間2月21日消息，在未來十年左右的時間里，蝕刻在硅基電腦芯片上的電路預計就將變得小無可小，從而促使人們尋找替代品來取代硅基芯片的地位。在使用什么材料作為替代品的問題上，有些研究者正對碳納米管寄予厚望。在本周一，斯坦福大學的一個研究團隊成功地演示了一個簡單的微電子電路，這個電路是由44個完全以絲狀纖維制成的晶體管所組成的。
這個研究團隊在舊金山展開的一次科技會議上展示了這個電路，這一技術進步是到目前為止最顯著的證據(jù)，表明當如今的硅基芯片達到根本性的物理極限時，碳納米管可能會成為一種未來的材料。
IBM是建議將碳納米管應用于微電子領域中的最大支持者之一，這家公司已經(jīng)明確表示，希望碳納米管技術將在從現(xiàn)在算起的十年內準備就緒，屆時預計半導體將縮小至僅為5納米的極限最小尺寸。但到目前為止，各個大學和芯片廠商中的研究人員還只是成功地使用碳納米管制造出了單獨的器件，如晶體管等。而斯坦福大學所展示的這一技術進步則標志著一個完整的工作電路已被創(chuàng)造出來和公開演示，表明這種材料可能真的會達到人們的期望。
硅是一種普遍存在的自然元素，既可作為導體，也可作為絕緣體。與計算機工程師原本所預計的相比，這種材料被使用的時間長了數(shù)十年，原因是晶體管一代代日益變小，技術變得越來越完美化。在計算機芯片行業(yè)中，被用于蝕刻在電路上的這種材料已經(jīng)變得比光波長還要細小，而且工程師和科學家們表示，硅材料還將繼續(xù)縮小，至少在當前十年階段的末期是這樣。
但是，遲早有一天使用硅為材料制造日益變小的電路的極限將會到來，從而終結由摩爾定律所定義的微電子時代。這個定律是由英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)提出來的，其內容是當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量大約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。
斯坦福大學所取得的這項技術進步看起來為一種信念提供了支持，那就是無論硅時代在何時陷入“熄火”狀態(tài)，日益縮小的工藝進程仍將繼續(xù)下去，從而允許設計師在長遠的未來繼續(xù)提高電腦的功率和容量。在本周于舊金山召開的、 被業(yè)界稱為“晶片奧林匹克”的年度國際固態(tài)電路大會(International Solid-State Circuits Conference)上，斯坦福大學的一名研究生走上一個臨時搭建的講臺，選擇了一只人手大小的木頭手，連接上一個簡單的發(fā)動機和齒輪裝置，打開開關，然后這只木頭手就充滿活力地搖擺起來。
這是一次很簡單的演示，但斯坦福大學的研究團隊表示，他們的目標是要制造一個使用碳納米管構成的完整的微處理器，從而肯定這種材料的潛力。除了尺寸很小以外，碳納米管的其他優(yōu)點包括能耗遠低于如今使用的硅晶體管，開關速度也要更快。
“我們的結論是，系統(tǒng)層面上的節(jié)電將可提高一個數(shù)量級?！彼固垢４髮W電子工程學副教授、Robust Systems Group負責人Subhasish Mitra說道。他指出，這將令未來個人移動設備的電池壽命實現(xiàn)有效的增長。
其他新材料和硅基晶體管的變體也正處于研究過程中，以便檢測它們是否將可縮小至更小的尺寸。舉例來說，英特爾去年開始使用一種名為FinFET的3D晶體管，可令一個芯片的表面布滿更加密集的晶體管?！拔也粫f沒有其他材料可以使用?！?strong>斯坦福大學電子工程學教授菲利普·王(H.-S. Philip Wong)說道?！皢栴}僅在于當尺寸縮小至極其微小的程度時，哪種材料將會勝出?！?BR>就碳納米管的形態(tài)而言，研究人員所面臨的挑戰(zhàn)是互相交織的微粒會組成一個龐大的“毛球”。不過，通過化學方式在石英表面上進行培育的方法，研究人員能夠將其進行密切整齊的排列，然后轉到一個硅片上，使用傳統(tǒng)的光刻技術來制作工作電路。雖然只有比例很小的線路會出現(xiàn)排列不整齊的現(xiàn)象，但想要制造可靠的電路仍舊是一直以來研究人員所面臨的技術障礙。
Mitra指出：“從PowerPoint幻燈片上看，99.5% 看起來都非常好;但當你所談論的是100億之多的微粒時，哪怕只是0.5%也是非常龐大的數(shù)字，會讓一切都變得亂七八糟?！?BR>據(jù)《科學》(Science)雜志2月1日刊的一篇文章稱，除了微電子領域以外，碳納米管還在許多商務領域中顯示出很有前途的應用前景，例如可充電電池、船體、太陽能電池和濾水器等。