我們?cè)撊绾卧O(shè)計(jì)下一代芯片以延續(xù)摩爾定律？

1965年，Intel創(chuàng)始人GordonE.Moore提出“摩爾定律”，即“集成電路上可容納的晶體管數(shù)目大約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也增加一倍”，換言之相同性能的計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品每隔18個(gè)月價(jià)格會(huì)降一半，而49年來這一定律也一直維持有效，主導(dǎo)著IT行業(yè)的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品性能的發(fā)展規(guī)律。

但當(dāng)49年過去，開始有科學(xué)家提出摩爾定律即將失效——因?yàn)橐?em>摩爾定律繼續(xù)有效要求復(fù)雜的制造工藝，該工藝高昂的成本超過了由此帶來的成本節(jié)約，在更高的速度、更低的能耗和更低的成本三個(gè)因素中，芯片廠商只可選擇其二。雖然制造工藝未來還有提升空間，但也將在15年后達(dá)到極限。

如果這一失效預(yù)測(cè)成真，整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)都受到深遠(yuǎn)的影響，畢竟能將幾十億的晶體管集成到指甲大小的芯片上，并且只需區(qū)區(qū)幾美元的價(jià)格，正是個(gè)人計(jì)算機(jī)、音樂播放器和智能手機(jī)得以蓬勃發(fā)展且不斷更新?lián)Q代的根源。(關(guān)于這一點(diǎn)可以看看“反摩爾定律”)

不過，樂觀的科學(xué)家和工程師們會(huì)告訴你：摩爾定律并未死亡，它只是正在進(jìn)化。他們認(rèn)為使用一種新型的納米材料可以使集成電路的大小與單分子大小相當(dāng)，因此使摩爾定律繼續(xù)生效。

那么這種新型的納米材料會(huì)是什么樣子的呢?一些半導(dǎo)體設(shè)計(jì)者正試圖通過化學(xué)方法來使原始材料自行遵循一種半導(dǎo)體芯片上導(dǎo)線排列的模式，從而制造出一種可自行組裝(selfassemble)的集成電路。科學(xué)家們相信將此種模式和納米線、傳統(tǒng)的芯片制造工藝結(jié)合在一起，將產(chǎn)生新一代的計(jì)算機(jī)芯片，使未來芯片的制造成本仍可以按摩爾定律所述的規(guī)律保持下降。

“這其中的關(guān)鍵點(diǎn)正在于‘自行組裝’(selfassembly)，”IBMAlmaden研究中心的科學(xué)技術(shù)主管ChandrasekharNarayan如是說，“現(xiàn)在我們得學(xué)會(huì)利用自然規(guī)律來為我們工作了，強(qiáng)行的外力干涉不再行得通，我們應(yīng)當(dāng)讓事物本身來決定自身的演進(jìn)。”

如果一切如Chandrasekhar所說，那么半導(dǎo)體制造工業(yè)就將從“硅材料”轉(zhuǎn)而走向新式的“計(jì)算材料”，而硅谷的研究人員們正用超級(jí)計(jì)算機(jī)來嘗試達(dá)成他們的設(shè)想。當(dāng)這塊土地不再生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片轉(zhuǎn)而生產(chǎn)新型的材料時(shí)，或許它將擁有了主導(dǎo)計(jì)算世界下一個(gè)十年的能力。

正如最近在研發(fā)一種于室溫環(huán)境下也能擁有超導(dǎo)體性能的錫合金的斯坦福大學(xué)物理學(xué)家ShouchengZhang說道，“材料對(duì)我們?nèi)祟惿鐣?huì)來說尤為重要，人類社會(huì)的每一個(gè)紀(jì)元都是以材料的名稱來命名的，好比我們有過石器時(shí)代、鐵器時(shí)代，而我們正在經(jīng)歷的則是硅時(shí)代。但是在過去，這些新材料的發(fā)現(xiàn)全部都是偶然的、不可知的，可一旦我們擁有了預(yù)知新材料的能力，變革的發(fā)生就在眼前?！?/p>

至于什么是推進(jìn)這些研究進(jìn)展的根本原因?或許經(jīng)濟(jì)利益是其中很重要的因素之一，因?yàn)橐鼓柖衫^續(xù)有效所需要的下一代工廠建設(shè)費(fèi)用已經(jīng)讓半導(dǎo)體制造商們大跌眼鏡了——根據(jù)Gartner的一份報(bào)告顯示，兩年以后制造微處理器芯片的新型工廠建設(shè)費(fèi)用將達(dá)到80億至100億美元，幾乎是現(xiàn)有費(fèi)用的兩倍不止。而這一費(fèi)用在未來十年間還很可能增長(zhǎng)到150億至200億美元之間，相當(dāng)于一個(gè)小國(guó)家的GDP。這一規(guī)律在芯片制造工業(yè)中被稱為“第二摩爾定律”(Moore’sSecondLaw)。

因此與其在昂貴的傳統(tǒng)技術(shù)上加大投入，并且這種技術(shù)不知何時(shí)就會(huì)被淘汰，研究者們更愿意將未來的賭注押在新型材料上。

去年十二月，一份科學(xué)研究論文描述了一種新式的“有機(jī)金屬結(jié)構(gòu)”材料(metal-organicframeworks，MOFs)，這是一種金屬離子和有機(jī)分子形成的晶體，并且已被模擬運(yùn)行在高性能計(jì)算機(jī)上，實(shí)驗(yàn)證明它可以有效運(yùn)轉(zhuǎn)，被運(yùn)用到太陽能光伏、傳感器或者電子材料當(dāng)中。

Sandia的化學(xué)家MarkD.Allendorf說，利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體我們幾乎無法改變材料的性能，但是未來我們卻可以通過MOFs來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)镸OFs當(dāng)中的分子可以被用于精確地生成具有某種性能的材料。

還有一種可被稱作新材料典范的材料是“topologicalinsulators”(拓?fù)浣^緣體)，這種材料的表面或者邊緣具有高傳導(dǎo)性，但其內(nèi)部卻是完全絕緣的。而這些材料的一大優(yōu)勢(shì)是它們可以很容易地被整合到如今的芯片制造流程中，以提高生產(chǎn)速度同時(shí)降低下一代半導(dǎo)體生產(chǎn)的能耗。

不過，研究人員稱這些理論上的預(yù)測(cè)仍待檢驗(yàn)。通過計(jì)算材料形成的變革來找到下一代計(jì)算機(jī)芯片的廉價(jià)生產(chǎn)技術(shù)通路，是目前所有人的期盼與賭注。