五大突破性芯片技術(shù) 改變未來計(jì)算
[導(dǎo)讀]請(qǐng)想象一下這樣一個(gè)世界：各種電子設(shè)備可以自己充電，音樂播放器可以終其壽命不停地播放歌曲，電池可以自充電，芯片可以實(shí)時(shí)改變其處理能力等等。根據(jù)美國各大實(shí)驗(yàn)室正在研究的項(xiàng)目來看，所有這些事物并非沒有可能，
請(qǐng)想象一下這樣一個(gè)世界：各種電子設(shè)備可以自己充電，音樂播放器可以終其壽命不停地播放歌曲，電池可以自充電，芯片可以實(shí)時(shí)改變其處理能力等等。根據(jù)美國各大實(shí)驗(yàn)室正在研究的項(xiàng)目來看，所有這些事物并非沒有可能，而是極有可能。
“未來五年對(duì)于電子學(xué)來說將會(huì)是一段非常令人激動(dòng)的時(shí)期，”美國商業(yè)部所屬國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)半導(dǎo)體電子學(xué)分部的主任David Seiler說?！敖裉旌芏嗫瓷先ハ袷遣恢呺H的幻想，明天都有可能變成司空見慣的事物?！?BR>
NST的David Seiler：今天很多不著邊際的幻想很快就會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。
本文將帶領(lǐng)你去漫游一下未來的電子世界。其中的一些概念聽起來很像夢(mèng)幻，還有一些是期待已久但還未實(shí)現(xiàn)的概念，不過它們都有一個(gè)共通之處，那就是它們?nèi)家呀?jīng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了演示，已經(jīng)有望在未來五年左右的時(shí)間內(nèi)成為商用產(chǎn)品。
本文共分兩大部分，第一部分主要講述芯片級(jí)的發(fā)展，處理器傳輸數(shù)據(jù)不再使用導(dǎo)線連接的電路，而是使用激光，新材料的出現(xiàn)可能會(huì)讓傳統(tǒng)的硅材料變得一文不值。這些技術(shù)可以為大量新型的創(chuàng)新產(chǎn)品提供構(gòu)建模塊，而其中的一些技術(shù)甚至可能是我們今天根本無法想象的。
第二部分將會(huì)講述關(guān)于接入、電源與控制領(lǐng)域的五大創(chuàng)新技術(shù)。
沒有導(dǎo)線的芯片：激光連接
如果用顯微鏡仔細(xì)查看任何一塊微處理器就會(huì)發(fā)現(xiàn)，其中有數(shù)百萬條極細(xì)微的導(dǎo)線在連接每個(gè)有源元件。而在微處理器的表面之下，還有更多的導(dǎo)線存在。麻省理工學(xué)院微光子中心的一位研究人員Jurgen Michel希望用快閃鍺(Ge)激光器完全取代這些導(dǎo)線，用紅外線來傳輸數(shù)據(jù)。
Michel解釋道，“當(dāng)處理器的核與元件越來越多時(shí)，提供內(nèi)部連接的導(dǎo)線就成了阻礙數(shù)據(jù)連接提速的障礙。我們使用光子而非電子，可以讓連接變得更容易，更快速?！?BR>
利用光速的光子來傳輸數(shù)據(jù)，Ge激光器傳輸位和字節(jié)的速度要比通過導(dǎo)線傳輸?shù)碾娮涌?00倍，這就意味著芯片各核心與其內(nèi)存之間的關(guān)鍵連接不會(huì)再拖其他元件的后腿。恰如電話網(wǎng)絡(luò)的光纖通信要比前一代的銅纜更高效一樣，芯片中的激光會(huì)讓計(jì)算超高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
麻省理工的這套系統(tǒng)最妙的部分是，在每個(gè)處理器內(nèi)部不再需要埋設(shè)細(xì)微的導(dǎo)線。而是用一系列隱秘的隧道和洞穴構(gòu)成十字交叉網(wǎng)絡(luò)來傳輸光脈沖;而微小的鏡面和感應(yīng)器則用來中轉(zhuǎn)和解釋數(shù)據(jù)。
這是傳統(tǒng)的硅電子與光學(xué)元件的混合——也叫做硅光子技術(shù)，這種技術(shù)可以讓計(jì)算機(jī)變得更綠色。因?yàn)榧す馄饕葘?dǎo)線更省電，產(chǎn)生的熱量也更少。
“光電子可以說是一個(gè)圣杯，”Seiler稱?！八卣沽穗娮訉W(xué)，也是降低電源消耗的極好辦法，因?yàn)槲覀儾辉儆邪l(fā)熱的導(dǎo)線了?！?BR>
2010年2月，Michel與其同事Lionel Kinerling和Jifeng Liu成功地研制并測(cè)試了一塊帶有Ge激光數(shù)據(jù)傳輸器的功能電路。這塊芯片的傳輸速度超過了每秒Tbit，比當(dāng)今最快的導(dǎo)線連接芯片速度快了兩個(gè)量級(jí)。
這塊芯片是利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體處理技術(shù)再加上一些其他附件制成的，所以Michel據(jù)此認(rèn)為向激光連接芯片的過渡可能會(huì)在下一個(gè)五年中出現(xiàn)。如果進(jìn)一步的測(cè)試取得成功的話，麻省理工學(xué)院將會(huì)批準(zhǔn)立項(xiàng)，這種芯片就有可能在2015年左右進(jìn)入商用階段。
對(duì)這種芯片的需求是前所未有的。因?yàn)榈搅?015年，極有可能會(huì)在計(jì)算機(jī)芯片上出現(xiàn)64顆獨(dú)立的處理內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核都可以同時(shí)工作?！叭绻脤?dǎo)線連接這些內(nèi)核那肯定是死路一條，”Michel稱?！岸面N激光器來連接這些內(nèi)核卻存在著巨大的可能性和回報(bào)率?！?BR>
新奇的電路：憶阻器
假如你的MP3已經(jīng)裝滿了曲子，而你覺得每次要?jiǎng)h掉一只曲子才能下載新的曲子就像是在進(jìn)行一次文化謀殺的話，那么憶阻器技術(shù)就會(huì)幫你的大忙。
這是自晶體管出現(xiàn)以來的一種全新的電子器件，可以說是一種比閃存更快、更耐用，也更便宜的替代品。其存儲(chǔ)容量是閃存的兩倍，可以有足夠的空間儲(chǔ)存下從倫納德·伯恩斯坦『美國作曲家(1918-1990)——譯者注』到Lady Gaga的所有樂曲。
“如果我們想要重新設(shè)計(jì)今天的計(jì)算機(jī)技術(shù)，那就應(yīng)該使用憶阻器內(nèi)存，”惠普實(shí)驗(yàn)室量子科學(xué)研究小組的高級(jí)研究員兼負(fù)責(zé)人R.Stanly Williams說?！皩?duì)于未來的電子學(xué)而言，這是一種非常重要的架構(gòu)。”
憶阻器，實(shí)際上就是帶內(nèi)存的電阻，最早是由加州大學(xué)伯克利分校的教授Leon Chua發(fā)明的，但是惠普實(shí)驗(yàn)室的憶阻器原型卻直到2008年才進(jìn)行過公開演示。
為了構(gòu)建其憶阻器，惠普使用了二氧化鈦和鉑金的疊壓;在電子顯微鏡下看，它們就像是一系列長長的平行山脊。而在表層下面是另一層與其成直角的相同結(jié)構(gòu)，從而形成了一個(gè)類似網(wǎng)格的陣列。
Williams稱，“你可以把它想象成一系列只有2到3納米長的管子?！?1個(gè)納米是1米的10億分之一，粗略地講相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的萬分之一)關(guān)鍵在于任意兩條相鄰的導(dǎo)管可以用表層下的一個(gè)電子交換器來連接，從而生成一個(gè)內(nèi)存單元。通過調(diào)整導(dǎo)管兩端的電壓，科學(xué)家們便可打開或者關(guān)閉微型電子交換器，從而像傳統(tǒng)的閃存芯片那樣存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
這些叫做電阻式RAM(ReRAM)的芯片大致可儲(chǔ)存比同樣面積大小的閃存芯片多兩倍的數(shù)據(jù)，而其存取速度卻要比閃存快上1000倍，而且其反復(fù)讀寫次數(shù)可達(dá)百萬次以上，是閃存的10倍。ReRAM的特殊優(yōu)勢(shì)還在于，其讀寫速度相當(dāng)，而閃存寫數(shù)據(jù)的時(shí)間則要比讀數(shù)據(jù)的時(shí)間長很多。
惠普與韓國的Hynix公司已經(jīng)在聯(lián)手開發(fā)可批量生產(chǎn)的ReRAM芯片，這些芯片可用于各種小型設(shè)備，例如音樂播放器(可存儲(chǔ)TB字節(jié)的音樂)、視頻播放器和電子書等。此類芯片預(yù)計(jì)會(huì)在2013年的某個(gè)時(shí)候上市。
ReRAM還可取代電腦中的DRAM。由于其所具有的不揮發(fā)性質(zhì)，ReRAM即便在系統(tǒng)關(guān)機(jī)或者斷電時(shí)，其儲(chǔ)存的內(nèi)容也不會(huì)消失，這是和DRAM不同的。事實(shí)上，Williams甚至認(rèn)為，ReRAM可能會(huì)開啟一個(gè)所謂即時(shí)計(jì)算的時(shí)代。要知道，今天的電腦即便沒有完全關(guān)機(jī)，只是進(jìn)入睡眠狀態(tài)，要想喚醒它訪問數(shù)據(jù)也需要數(shù)秒到一分鐘的時(shí)間。而配備了ReRAM的設(shè)備，無論何時(shí)開啟設(shè)備皆可即時(shí)響應(yīng)。
惠普實(shí)驗(yàn)室的R. Stanly Williams：“我們能夠在10年內(nèi)研制出Pb傳輸速率的芯片?！?
“未來五年對(duì)于電子學(xué)來說將會(huì)是一段非常令人激動(dòng)的時(shí)期，”美國商業(yè)部所屬國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)半導(dǎo)體電子學(xué)分部的主任David Seiler說?！敖裉旌芏嗫瓷先ハ袷遣恢呺H的幻想，明天都有可能變成司空見慣的事物?！?BR>
NST的David Seiler：今天很多不著邊際的幻想很快就會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。
本文將帶領(lǐng)你去漫游一下未來的電子世界。其中的一些概念聽起來很像夢(mèng)幻，還有一些是期待已久但還未實(shí)現(xiàn)的概念，不過它們都有一個(gè)共通之處，那就是它們?nèi)家呀?jīng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了演示，已經(jīng)有望在未來五年左右的時(shí)間內(nèi)成為商用產(chǎn)品。
本文共分兩大部分，第一部分主要講述芯片級(jí)的發(fā)展，處理器傳輸數(shù)據(jù)不再使用導(dǎo)線連接的電路，而是使用激光，新材料的出現(xiàn)可能會(huì)讓傳統(tǒng)的硅材料變得一文不值。這些技術(shù)可以為大量新型的創(chuàng)新產(chǎn)品提供構(gòu)建模塊，而其中的一些技術(shù)甚至可能是我們今天根本無法想象的。
第二部分將會(huì)講述關(guān)于接入、電源與控制領(lǐng)域的五大創(chuàng)新技術(shù)。
沒有導(dǎo)線的芯片：激光連接
如果用顯微鏡仔細(xì)查看任何一塊微處理器就會(huì)發(fā)現(xiàn)，其中有數(shù)百萬條極細(xì)微的導(dǎo)線在連接每個(gè)有源元件。而在微處理器的表面之下，還有更多的導(dǎo)線存在。麻省理工學(xué)院微光子中心的一位研究人員Jurgen Michel希望用快閃鍺(Ge)激光器完全取代這些導(dǎo)線，用紅外線來傳輸數(shù)據(jù)。
Michel解釋道，“當(dāng)處理器的核與元件越來越多時(shí)，提供內(nèi)部連接的導(dǎo)線就成了阻礙數(shù)據(jù)連接提速的障礙。我們使用光子而非電子，可以讓連接變得更容易，更快速?！?BR>
利用光速的光子來傳輸數(shù)據(jù)，Ge激光器傳輸位和字節(jié)的速度要比通過導(dǎo)線傳輸?shù)碾娮涌?00倍，這就意味著芯片各核心與其內(nèi)存之間的關(guān)鍵連接不會(huì)再拖其他元件的后腿。恰如電話網(wǎng)絡(luò)的光纖通信要比前一代的銅纜更高效一樣，芯片中的激光會(huì)讓計(jì)算超高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
麻省理工的這套系統(tǒng)最妙的部分是，在每個(gè)處理器內(nèi)部不再需要埋設(shè)細(xì)微的導(dǎo)線。而是用一系列隱秘的隧道和洞穴構(gòu)成十字交叉網(wǎng)絡(luò)來傳輸光脈沖;而微小的鏡面和感應(yīng)器則用來中轉(zhuǎn)和解釋數(shù)據(jù)。
這是傳統(tǒng)的硅電子與光學(xué)元件的混合——也叫做硅光子技術(shù)，這種技術(shù)可以讓計(jì)算機(jī)變得更綠色。因?yàn)榧す馄饕葘?dǎo)線更省電，產(chǎn)生的熱量也更少。
“光電子可以說是一個(gè)圣杯，”Seiler稱?！八卣沽穗娮訉W(xué)，也是降低電源消耗的極好辦法，因?yàn)槲覀儾辉儆邪l(fā)熱的導(dǎo)線了?！?BR>
2010年2月，Michel與其同事Lionel Kinerling和Jifeng Liu成功地研制并測(cè)試了一塊帶有Ge激光數(shù)據(jù)傳輸器的功能電路。這塊芯片的傳輸速度超過了每秒Tbit，比當(dāng)今最快的導(dǎo)線連接芯片速度快了兩個(gè)量級(jí)。
這塊芯片是利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體處理技術(shù)再加上一些其他附件制成的，所以Michel據(jù)此認(rèn)為向激光連接芯片的過渡可能會(huì)在下一個(gè)五年中出現(xiàn)。如果進(jìn)一步的測(cè)試取得成功的話，麻省理工學(xué)院將會(huì)批準(zhǔn)立項(xiàng)，這種芯片就有可能在2015年左右進(jìn)入商用階段。
對(duì)這種芯片的需求是前所未有的。因?yàn)榈搅?015年，極有可能會(huì)在計(jì)算機(jī)芯片上出現(xiàn)64顆獨(dú)立的處理內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核都可以同時(shí)工作?！叭绻脤?dǎo)線連接這些內(nèi)核那肯定是死路一條，”Michel稱?！岸面N激光器來連接這些內(nèi)核卻存在著巨大的可能性和回報(bào)率?！?BR>
新奇的電路：憶阻器
假如你的MP3已經(jīng)裝滿了曲子，而你覺得每次要?jiǎng)h掉一只曲子才能下載新的曲子就像是在進(jìn)行一次文化謀殺的話，那么憶阻器技術(shù)就會(huì)幫你的大忙。
這是自晶體管出現(xiàn)以來的一種全新的電子器件，可以說是一種比閃存更快、更耐用，也更便宜的替代品。其存儲(chǔ)容量是閃存的兩倍，可以有足夠的空間儲(chǔ)存下從倫納德·伯恩斯坦『美國作曲家(1918-1990)——譯者注』到Lady Gaga的所有樂曲。
“如果我們想要重新設(shè)計(jì)今天的計(jì)算機(jī)技術(shù)，那就應(yīng)該使用憶阻器內(nèi)存，”惠普實(shí)驗(yàn)室量子科學(xué)研究小組的高級(jí)研究員兼負(fù)責(zé)人R.Stanly Williams說?！皩?duì)于未來的電子學(xué)而言，這是一種非常重要的架構(gòu)。”
憶阻器，實(shí)際上就是帶內(nèi)存的電阻，最早是由加州大學(xué)伯克利分校的教授Leon Chua發(fā)明的，但是惠普實(shí)驗(yàn)室的憶阻器原型卻直到2008年才進(jìn)行過公開演示。
為了構(gòu)建其憶阻器，惠普使用了二氧化鈦和鉑金的疊壓;在電子顯微鏡下看，它們就像是一系列長長的平行山脊。而在表層下面是另一層與其成直角的相同結(jié)構(gòu)，從而形成了一個(gè)類似網(wǎng)格的陣列。
Williams稱，“你可以把它想象成一系列只有2到3納米長的管子?！?1個(gè)納米是1米的10億分之一，粗略地講相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的萬分之一)關(guān)鍵在于任意兩條相鄰的導(dǎo)管可以用表層下的一個(gè)電子交換器來連接，從而生成一個(gè)內(nèi)存單元。通過調(diào)整導(dǎo)管兩端的電壓，科學(xué)家們便可打開或者關(guān)閉微型電子交換器，從而像傳統(tǒng)的閃存芯片那樣存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
這些叫做電阻式RAM(ReRAM)的芯片大致可儲(chǔ)存比同樣面積大小的閃存芯片多兩倍的數(shù)據(jù)，而其存取速度卻要比閃存快上1000倍，而且其反復(fù)讀寫次數(shù)可達(dá)百萬次以上，是閃存的10倍。ReRAM的特殊優(yōu)勢(shì)還在于，其讀寫速度相當(dāng)，而閃存寫數(shù)據(jù)的時(shí)間則要比讀數(shù)據(jù)的時(shí)間長很多。
惠普與韓國的Hynix公司已經(jīng)在聯(lián)手開發(fā)可批量生產(chǎn)的ReRAM芯片，這些芯片可用于各種小型設(shè)備，例如音樂播放器(可存儲(chǔ)TB字節(jié)的音樂)、視頻播放器和電子書等。此類芯片預(yù)計(jì)會(huì)在2013年的某個(gè)時(shí)候上市。
ReRAM還可取代電腦中的DRAM。由于其所具有的不揮發(fā)性質(zhì)，ReRAM即便在系統(tǒng)關(guān)機(jī)或者斷電時(shí)，其儲(chǔ)存的內(nèi)容也不會(huì)消失，這是和DRAM不同的。事實(shí)上，Williams甚至認(rèn)為，ReRAM可能會(huì)開啟一個(gè)所謂即時(shí)計(jì)算的時(shí)代。要知道，今天的電腦即便沒有完全關(guān)機(jī)，只是進(jìn)入睡眠狀態(tài)，要想喚醒它訪問數(shù)據(jù)也需要數(shù)秒到一分鐘的時(shí)間。而配備了ReRAM的設(shè)備，無論何時(shí)開啟設(shè)備皆可即時(shí)響應(yīng)。
惠普實(shí)驗(yàn)室的R. Stanly Williams：“我們能夠在10年內(nèi)研制出Pb傳輸速率的芯片?！?
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