后摩爾定律時(shí)代誰(shuí)來(lái)主導(dǎo)芯片產(chǎn)業(yè)

在摩爾定律引領(lǐng)下的集成電路生產(chǎn)正在逼近物理定律的極限，芯片產(chǎn)業(yè)迫切需要替代技術(shù)。目前尚處于研發(fā)狀態(tài)中的各種新的芯片生產(chǎn)技術(shù)—分子計(jì)算、生物計(jì)算、量子計(jì)算、石墨烯等技術(shù)中，誰(shuí)將最終勝出?

1965年，芯片產(chǎn)業(yè)的先驅(qū)戈登-摩爾(GordonMoore)發(fā)布了著名的摩爾定律：集成電路芯片的復(fù)雜程度每過(guò)兩年就會(huì)增加一倍。此后的幾十年來(lái)，在這一定律的指引下，芯片制造工藝的進(jìn)步讓芯片的晶體管尺寸得以不斷縮小，從而使電氣信號(hào)傳輸?shù)木嚯x更短，處理速度也更快。

對(duì)電子行業(yè)和消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，摩爾定律意味著計(jì)算機(jī)類(lèi)設(shè)備的尺寸將變得更小、速度更快、成本更低。當(dāng)然，這一切都要?dú)w功于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造方面堅(jiān)持不懈的創(chuàng)新，35年來(lái)芯片在一如既往地遵循這條軌跡。不過(guò)，工程師們也清楚，摩爾定律終究會(huì)在某個(gè)時(shí)候陷入絕境，因?yàn)?em>晶體管會(huì)變得只有幾十個(gè)原子那么厚。這么小的尺寸正在逼近基本的物理定律的極限，而實(shí)際上在逼近這個(gè)極限前就已經(jīng)出現(xiàn)了兩個(gè)很實(shí)際的問(wèn)題：想把這么小的晶體管如此近地放在一起，又要獲得高產(chǎn)量(質(zhì)量合格的芯片，而不是有瑕疵的芯片)，成本會(huì)變得過(guò)于高昂;而另一方面，一大堆晶體管進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)急劇攀升，足以燒毀元件本身。

的確，這些問(wèn)題幾年前已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)了。如今普通的個(gè)人電腦普遍采用“雙核”芯片——意味著使用兩個(gè)小處理器，而不是一個(gè)處理器，這種設(shè)計(jì)的一個(gè)非常主要的原因是，如果把所需數(shù)量的晶體管封裝到一塊芯片上并解決散熱問(wèn)題已變得困難重重。芯片設(shè)計(jì)人員改而選擇并排放置兩塊或更多塊芯片，并對(duì)它們進(jìn)行編程，以便并行處理信息。

摩爾定律最終可能會(huì)壽終正寢。如果真是那樣的話，工程師們?cè)撊绾卫^續(xù)制造出功能更強(qiáng)大的芯片呢?改用新的架構(gòu)或者研發(fā)可以逐個(gè)原子組裝的納米材料是研究人員正在研究的兩種辦法。另外一些辦法還包括量子計(jì)算和生物計(jì)算。下面會(huì)介紹一些技術(shù)，其中一些目前還處于原型階段。在接下來(lái)的20年里，這些技術(shù)有望讓計(jì)算機(jī)繼續(xù)遵循“尺寸更小、速度更快、成本更低”這條道路向前發(fā)展。

散熱：研發(fā)新型散熱器

由于一塊芯片上的晶體管數(shù)量多達(dá)10億只，消除晶體管在開(kāi)關(guān)操作時(shí)生成的熱量是一大挑戰(zhàn)。雖然個(gè)人電腦里面有空間容納風(fēng)扇，但即便如此，每塊芯片約100瓦的功耗卻已是其散熱極限。為此研究人員開(kāi)始設(shè)計(jì)一些新穎的替代技術(shù)。MacBookAir筆記本電腦采用由熱傳導(dǎo)鋁制成的精美外殼，并充當(dāng)散熱器。在蘋(píng)果PowerMacG5個(gè)人電腦中，液體(水)從處理器芯片下面的微通道流過(guò)以散熱。

不過(guò)，液體和電子器件卻是一個(gè)不可靠的組合，像智能手機(jī)這些比較小的便攜式裝置根本沒(méi)有地方來(lái)容納管道或風(fēng)扇。英特爾的一支研究小組已把一層碲化鉍超晶格薄膜做到芯片封裝體中。溫差電材料把溫度梯度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，實(shí)際上對(duì)芯片本身起到了散熱效果。

初創(chuàng)公司Ventiva正在普渡大學(xué)研究工作的基礎(chǔ)上，研制一種沒(méi)有活動(dòng)部件的小型固態(tài)“風(fēng)扇”，它利用電暈風(fēng)效應(yīng)(CoronaWindEffect)來(lái)生成一股微風(fēng)—安靜的家用空氣凈化器采用了這種技術(shù)。稍稍凹下去的格柵有帶電導(dǎo)線，可以生成微型等離子體。這種氣體狀混合物里面的離子促使空氣分子從帶電導(dǎo)線轉(zhuǎn)移到相鄰極板，生成一股風(fēng)。這種風(fēng)扇生成的氣流比普通的機(jī)械風(fēng)扇大，而尺寸要小得多。其他創(chuàng)新公司則在制造斯特令發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇(不過(guò)有些笨重)，其特點(diǎn)是能生成風(fēng)，又不用耗電，芯片冷熱部位之間的溫差是驅(qū)動(dòng)這些風(fēng)扇的動(dòng)力。

架構(gòu)：多核成為主流

更小的晶體管能夠更快地進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作(表示0和1)，因而芯片速度更快。但是當(dāng)芯片達(dá)到散熱極限后，時(shí)鐘頻率(芯片在一秒內(nèi)可以處理的指令數(shù)量)也就無(wú)法再提高，保持在三四兆赫茲。人們希望在散熱和速度極限范圍內(nèi)獲得更高的性能，于是設(shè)計(jì)師們把兩個(gè)處理器或核心放在同一塊芯片上。雖然每個(gè)核心的運(yùn)行速度與之前的處理器一樣快，但由于兩個(gè)核心并行工作，所以在特定的時(shí)間內(nèi)能夠處理更多數(shù)據(jù)，耗電量比較低，散熱也比較少?，F(xiàn)在最新的個(gè)人電腦采用四核處理器，比如英特爾i7和AMDPhenomX4。

多核給軟件帶來(lái)了挑戰(zhàn)。世界上功能最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)里面有數(shù)千個(gè)核，而在普通的消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中，即便只是想極高效地利用幾個(gè)核心，都需要新的編程技術(shù)來(lái)劃分?jǐn)?shù)據(jù)和處理，并且協(xié)調(diào)任務(wù)。上世紀(jì)八九十年代，研究人員已經(jīng)為超級(jí)計(jì)算機(jī)解決好了并行編程的基礎(chǔ)性工作，而現(xiàn)在的難題是開(kāi)發(fā)出用來(lái)編寫(xiě)消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用軟件的語(yǔ)言和工具。據(jù)悉，微軟研究部門(mén)已發(fā)布了F#編程語(yǔ)言。瑞典愛(ài)立信公司推出的一門(mén)早期語(yǔ)言Erlang催生出了幾門(mén)更新的語(yǔ)言，包括Clojure和Scala。伊利諾斯大學(xué)等院校也在為多核芯片研發(fā)并行編程技術(shù)。

如果這些方法能得到完善，桌面和移動(dòng)設(shè)備就可以有幾十個(gè)或更多個(gè)并行處理器，這些處理器單個(gè)所含的晶體管數(shù)量都少于現(xiàn)有芯片，但作為一個(gè)整體，運(yùn)行速度更快。

更薄的材料：納米管和自組裝

近十年來(lái)，業(yè)界權(quán)威將納米技術(shù)作為解決醫(yī)學(xué)、能源以及集成電路等行業(yè)各種挑戰(zhàn)的候選方案。一些擁護(hù)者更是認(rèn)為，制造芯片的半導(dǎo)體行業(yè)實(shí)際上已經(jīng)形成了一套納米技術(shù)學(xué)科，專(zhuān)門(mén)研發(fā)、生產(chǎn)越來(lái)越小的晶體管。

不過(guò)更現(xiàn)實(shí)的希望是，納米技術(shù)讓工程師們可以制造出特制分子(DesignerMolecule)。比如，用碳納米管組裝而成的晶體管可以做得極小。IBM公司的工程師們已制造出用碳納米管而不是硅作為傳導(dǎo)襯底的傳統(tǒng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電路。來(lái)自該研究小組的JoergAppenzeller現(xiàn)任職

排列分子、甚至排列原子很棘手，特別是由于需要在芯片生產(chǎn)期間對(duì)它們進(jìn)行大批量組裝。一種解決方案是使用能自組裝的分子：把這些分子混合起來(lái)，然后讓它們受到熱、光或離心力的作用，讓它們自己排列成所需的圖案。

IBM已研究出如何利用化學(xué)鍵結(jié)合的聚合物來(lái)制造內(nèi)存電路。分子被放到硅晶片表面上經(jīng)加熱后延展形成蜂巢結(jié)構(gòu)，蜂巢孔的直徑只有20納米。然后，將圖案蝕刻到硅片上，形成這種尺寸的內(nèi)存芯片。

速度更快的晶體管：超薄石墨烯[!--empirenews.page--]

不斷縮小晶體管尺寸的目的是為了縮小電氣信號(hào)在芯片里面?zhèn)鬏數(shù)木嚯x，從而加快處理信息的速度。但一種特別的納米材料—石墨烯(Graphene)有望帶來(lái)更快的速度，這歸功于其天生的結(jié)構(gòu)。

處理信息的邏輯芯片大多使用由CMOS技術(shù)做成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。晶體管就好比是一塊狹長(zhǎng)、長(zhǎng)方形的多層蛋糕，最上面一層是鋁(或者最近常用的多晶硅)，中間一層是絕緣氧化物，最下面一層是半導(dǎo)體硅。石墨烯(最近剝離出來(lái)的一種碳分子)是一片在同一平面重復(fù)的六邊形，外觀像六角形鐵絲網(wǎng)，但厚度只有一個(gè)原子層厚。石墨烯片彼此堆疊起來(lái)，形成礦物質(zhì)石墨，也就是我們所熟悉的那種鉛筆“芯”。純晶體形式的石墨烯在室溫下傳導(dǎo)電子的速度超過(guò)其他任何材料，比場(chǎng)效應(yīng)晶體管快多了。由于散射或與晶格中的原子發(fā)生碰撞，電荷載體損失的能量非常少，所以產(chǎn)生的廢熱比較少。科學(xué)家們直到2004年才剝離出石墨烯這種材料，因此這方面的研究工作仍處于早期階段，但研究人員對(duì)于研制出寬度只有10納米、高度只有一個(gè)原子大小的石墨烯晶體管滿懷信心。眾多電路也許有望蝕刻到一塊小小的石墨烯片上。

大小：采用交叉線尋求突破

如今可以制造出來(lái)的尺寸最小的商用晶體管只有32納米寬，相當(dāng)于96個(gè)硅原子的總寬度。業(yè)界普遍認(rèn)為，想利用幾十年來(lái)不斷完善的光刻技術(shù)制造出尺寸小于22納米的元件極其困難。

但是，有一種方法可以制造出尺寸相似的電路元件，又能提供更強(qiáng)大的計(jì)算功能，那就是交叉線設(shè)計(jì)(CrossbarDesign)。交叉線設(shè)計(jì)方法是在一個(gè)平面上有一組并行納米線，同第二組與該平面成直角的納米線交叉(相當(dāng)于兩條互相垂直的公路)，而不是全在一個(gè)平面制造晶體管(就像把多輛汽車(chē)塞到一條堵塞公路上的幾條車(chē)道)。兩組納米線線之間有一個(gè)分子厚的緩沖層。這兩組線之間存在的許多交叉點(diǎn)名為憶阻器(Memristor)，其工作方式類(lèi)似開(kāi)關(guān)，可以像晶體管那樣表示1和0(兩位數(shù)，即比特)。不過(guò)憶阻器還能存儲(chǔ)信息。這些功能結(jié)合起來(lái)，就能執(zhí)行諸多計(jì)算任務(wù)。實(shí)際上，一個(gè)憶阻器就能完成10到15個(gè)晶體管的工作量。

惠普實(shí)驗(yàn)室已利用30納米寬的鈦線和鉑線制造出交叉線設(shè)計(jì)的原型，而采用的材料和工藝類(lèi)似于目前半導(dǎo)體行業(yè)所用的材料和工藝?；萜展镜难芯咳藛T認(rèn)為，每條線的寬度最小能做到8納米。另外也有幾個(gè)研究小組在研究用硅、鈦和硫化銀做成交叉線。

光子計(jì)算：與光一樣快

替代硅芯片的全新技術(shù)仍然還處于研發(fā)初期，真正的商用產(chǎn)品可能十年后才會(huì)問(wèn)世，但摩爾定律到那時(shí)可能走到頭了，所以研究人員不得不研發(fā)新的解決辦法—光學(xué)計(jì)算就是其中之一。

在光學(xué)計(jì)算中，載送信息的不是電子，而是光子。光子的載送速度要快得多，達(dá)到了光速;不過(guò)，要控制光也困難得多。通信線路中的光纜沿線處的光學(xué)開(kāi)關(guān)其制造技術(shù)取得了進(jìn)展，這有助于光學(xué)計(jì)算的研究。出人意料的是，最重要的研究其目的卻是，研制出介于多核芯片上傳統(tǒng)處理器之間的光學(xué)互連器件。并行處理信息的處理器核心之間要來(lái)回傳送大量數(shù)據(jù)，所以連接處理器核心的引線會(huì)成為瓶頸，而光學(xué)互連器件有望改善數(shù)據(jù)傳送。惠普實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在評(píng)估可將傳送的信息量增加兩個(gè)數(shù)量級(jí)的設(shè)計(jì)。

其他機(jī)構(gòu)組織正在研制光學(xué)互連器件來(lái)取代速度較慢的銅線，如今人們用銅線把處理器芯片與計(jì)算機(jī)里面的其他部件(如內(nèi)存芯片和DVD驅(qū)動(dòng)器)連起來(lái)。英特爾和加州大學(xué)圣巴巴拉分校的工程師們采用常規(guī)的半導(dǎo)體制造工藝，利用硅和磷酸銦研制出了光學(xué)“數(shù)據(jù)管道”。不過(guò)，純粹的光學(xué)計(jì)算芯片的出現(xiàn)還需要在技術(shù)層面取得一些根本性突破。

分子計(jì)算：用分子做成電路

在分子計(jì)算中，代表1和0的是分子，而不是晶體管。當(dāng)分子是生物分子時(shí)(如DNA)，這類(lèi)計(jì)算稱(chēng)為分子計(jì)算(參閱下文的“生物計(jì)算：能存活的芯片”)。為了區(qū)分，工程師可能會(huì)將非生物分子計(jì)算稱(chēng)為分子邏輯或分子電子學(xué)。

典型的晶體管有三個(gè)端子(可以想象成字母Y)：源極、柵極和漏極。對(duì)柵極(Y的下半部)施加電壓后，就會(huì)引起電子在源極和漏極之間移動(dòng)，形成1或0。從理論上來(lái)說(shuō)，樹(shù)枝狀分子會(huì)引發(fā)信號(hào)以類(lèi)似的方式移動(dòng)。十年前，耶魯大學(xué)和賴斯大學(xué)的研究人員利用苯作為一種構(gòu)建材料，研制出了分子開(kāi)關(guān)。

分子可能很小，所以用分子做成的電路可能比用硅做成的電路小得多。不過(guò)，一個(gè)現(xiàn)實(shí)的難題是必須找到制造復(fù)雜電路的方法。研究人員們認(rèn)為，自組裝也許是一種解決辦法。2009年10月，賓夕法尼亞大學(xué)的一個(gè)科研小組單單利用促使自組裝的化學(xué)反應(yīng)，就把鋅和結(jié)晶硫化鎘轉(zhuǎn)變成金屬-半導(dǎo)體超晶格電路。

量子計(jì)算：表達(dá)出更多的信息

用一個(gè)個(gè)原子、電子甚至光子做成的電路元件將是尺寸最小的元件。在這么小的尺寸范圍內(nèi)，元件相互之間的聯(lián)系由量子力學(xué)(即解釋原子行為的一套定律)管理。量子計(jì)算機(jī)可能擁有異常驚人的密度和速度，但實(shí)際制造量子計(jì)算機(jī)及管理隨之出現(xiàn)的量子效應(yīng)卻困難重重。

原子和電子具有能在不同狀態(tài)下存在的特性，能夠組成量子比特(Qubit)。研究處理量子比特的幾種方法正在試驗(yàn)中。一種名為自旋電子(Spintronics)的方法使用電子，電子的磁矩會(huì)在兩種旋轉(zhuǎn)方向中選擇其一。就好比一只球往一個(gè)方向或另一方向旋轉(zhuǎn)(分別表示1或0)。不過(guò)，兩個(gè)狀態(tài)還能共存于一個(gè)電子中，形成一種獨(dú)特的量子狀態(tài)，名為0和1的疊加(Superposition)。在疊加狀態(tài)下，一連串電子可以表示比一串只有普通比特狀態(tài)的硅晶體管多得多的信息。加州大學(xué)圣巴巴拉分校的科學(xué)家們已通過(guò)用蝕刻到金剛石上的空腔來(lái)俘獲電子，做成了許多不同的邏輯柵極。

在馬里蘭大學(xué)和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所研究的另一種方法中，一串離子懸浮在帶電板之間，而激光可以快速轉(zhuǎn)動(dòng)每個(gè)離子的磁定向(量子比特)。第二種方法是檢測(cè)離子發(fā)射出來(lái)的不同種類(lèi)的光子，種類(lèi)取決于離子的定向。

除了具有疊加優(yōu)點(diǎn)外，量子元件還能表示出更多的信息，如多個(gè)量子比特的信息狀態(tài)可以結(jié)合起來(lái)，從而獲得處理信息。

生物計(jì)算：能存活的芯片

生物計(jì)算用通常存在于生物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)取代晶體管。備受關(guān)注的是DNA分子和RNA分子，它們中存儲(chǔ)著決定人體細(xì)胞生命的“編程信息”。一種令人遐想的遠(yuǎn)景是，盡管一塊小指甲大小的芯片可能含有10億個(gè)[!--empirenews.page--]晶體管，而一個(gè)同樣尺寸的處理器可能含有數(shù)萬(wàn)億個(gè)DNA鏈。DNA鏈可以同時(shí)處理某項(xiàng)計(jì)算任務(wù)的不同部分，并且相互結(jié)合起來(lái)，以給出解決方案。除了元件數(shù)量多出幾個(gè)數(shù)量級(jí)外，生物芯片還有望提供大規(guī)模并行處理功能。

早期的生物電路通過(guò)組合及分開(kāi)DNA鏈之間的鍵來(lái)處理信息。研究人員現(xiàn)正在研究可以在細(xì)胞里面存儲(chǔ)及復(fù)制的“遺傳計(jì)算機(jī)程序”。而面臨的挑戰(zhàn)是，找到對(duì)成批的生物元件進(jìn)行編程的方法，以便它們能按預(yù)期的方式進(jìn)行工作。這種計(jì)算機(jī)最終可能會(huì)首先出現(xiàn)在人體內(nèi)流動(dòng)的血液中，而不是辦公桌面上。以色列雷霍沃特魏茨曼科學(xué)研究所的研究人員已利用DNA研制出一種簡(jiǎn)單的處理器，他們現(xiàn)正在努力讓處理器組件可以在活生生的細(xì)胞里面工作，并與細(xì)胞周?chē)h(huán)境進(jìn)行通信。

石墨烯材料的特點(diǎn)

石墨烯(Graphene)是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子薄膜，是由碳原子組成的蜂窩狀二維晶體。該材料具有許多新奇的物理特性。首先石墨烯具有遠(yuǎn)比硅高的載流子遷移率，是一種性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料。此外，石墨烯還可用于制造復(fù)合材料、電池/超級(jí)電容、儲(chǔ)氫材料、場(chǎng)發(fā)射材料以及超靈敏傳感器等。

科學(xué)家們對(duì)石墨烯感興趣的原因之一是受到碳納米管科研成果的啟發(fā)。石墨烯很有可能會(huì)成為硅的替代品。在制作復(fù)雜電路時(shí)，納米管必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)篩選和定位，目前還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出非常好的方法，而這對(duì)石墨烯而言則要容易得多。

硅基的微計(jì)算機(jī)處理器，在室溫條件下每秒鐘只能執(zhí)行一定數(shù)量的操作，然而電子穿過(guò)石墨烯幾乎沒(méi)有任何阻力，所產(chǎn)生的熱量也非常少。此外，石墨烯本身就是一個(gè)良好的導(dǎo)熱體，可以很快地散發(fā)熱量。由于具有優(yōu)異的性能，用石墨烯制造的電子產(chǎn)品運(yùn)行的速度要快得多。

石墨烯器件還能用于需要高速工作的通信技術(shù)和成像技術(shù)，能用來(lái)探測(cè)隱藏的武器。然而，速度還不是石墨烯的惟一優(yōu)點(diǎn)。硅不能分割成小于10納米的小片，否則其將失去誘人的電子性能。與硅相比，石墨烯分割成一個(gè)納米的小片時(shí)，其基本物理性能并不改變，而且其電子性能還有可能超常發(fā)揮。