后摩爾定律時代

哪種技術將主導芯片產業

在摩爾定律引領下的集成電路生產正在逼近物理定律的極限，芯片產業迫切需要替代技術。目前尚處于研發狀態中的各種新的芯片生產技術—分子計算、生物計算、量子計算、石墨烯等技術中，誰將最終勝出?

1975年，芯片產業的先驅戈登#8226;摩爾(Gordon Moore)發布了著名的摩爾定律:集成電路芯片的復雜程度每過兩年就會增加一倍。此后的幾十年來，在這一定律的指引下，芯片制造工藝的進步讓芯片的晶體管尺寸得以不斷縮小，從而使電氣信號傳輸的距離更短，處理速度也更快。

對電子行業和消費者來說，摩爾定律意味著計算機類設備的尺寸將變得更小、速度更快、成本更低。當然，這一切都要歸功于半導體設計和制造方面堅持不懈的創新，35年來芯片在一如既往地遵循這條軌跡。不過，工程師們也清楚，摩爾定律終究會在某個時候陷入絕境，因為晶體管會變得只有幾十個原子那么厚。這么小的尺寸正在逼近基本的物理定律的極限，而實際上在逼近這個極限前就已經出現了兩個很實際的問題:想把這么小的晶體管如此近地放在一起，又要獲得高產量(質量合格的芯片，而不是有瑕疵的芯片)，成本會變得過于高昂;而另一方面，一大堆晶體管進行開關操作時產生的熱量會急劇攀升，足以燒毀元件本身。

的確，這些問題幾年前已經開始顯現了。如今普通的個人電腦普遍采用“雙核”芯片——意味著使用兩個小處理器，而不是一個處理器，這種設計的一個非常主要的原因是，如果把所需數量的晶體管封裝到一塊芯片上并解決散熱問題已變得困難重重。芯片設計人員改而選擇并排放置兩塊或更多塊芯片，并對它們進行編程，以便并行處理信息。

摩爾定律最終可能會壽終正寢。如果真是那樣的話，工程師們該如何繼續制造出功能更強大的芯片呢?改用新的架構或者研發可以逐個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算和生物計算。下面會介紹一些技術，其中一些目前還處于原型階段。在接下來的20年里，這些技術有望讓計算機繼續遵循“尺寸更小、速度更快、成本更低” 這條道路向前發展。

散熱:

研發新型散熱器

由于一塊芯片上的晶體管數量多達10億只，消除晶體管在開關操作時生成的熱量是一大挑戰。雖然個人電腦里面有空間容納風扇，但即便如此，每塊芯片約100瓦的功耗卻已是其散熱極限。為此研究人員開始設計一些新穎的替代技術。MacBook Air筆記本電腦采用由熱傳導鋁制成的精美外殼，并充當散熱器。在蘋果Power Mac G5個人電腦中，液體(水)從處理器芯片下面的微通道流過以散熱 。

不過，液體和電子器件卻是一個不可靠的組合，像智能手機這些比較小的便攜式裝置根本沒有地方來容納管道或風扇。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變成電信號，實際上對芯片本身起到了散熱效果。

初創公司Ventiva正在普渡大學研究工作的基礎上，研制一種沒有活動部件的小型固態“風扇”，它利用電暈風效應(Corona Wind Effect)來生成一股微風—安靜的家用空氣凈化器采用了這種技術。稍稍凹下去的格柵有帶電導線，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線轉移到相鄰極板，生成一股風。這種風扇生成的氣流比普通的機械風扇大，而尺寸要小得多。其他創新公司則在制造斯特令發動機風扇(不過有些笨重)，其特點是能生成風，又不用耗電，芯片冷熱部位之間的溫差是驅動這些風扇的動力。

架構:

多核成為主流

更小的晶體管能夠更快地進行開關操作(表示0和1)，因而芯片速度更快。但是當芯片達到散熱極限后，時鐘頻率(芯片在一秒內可以處理的指令數量)也就無法再提高，保持在三四兆赫茲。人們希望在散熱和速度極限范圍內獲得更高的性能，于是設計師們把兩個處理器或核心放在同一塊芯片上。雖然每個核心的運行速度與之前的處理器一樣快，但由于兩個核心并行工作，所以在特定的時間內能夠處理更多數據，耗電量比較低，散熱也比較少。現在最新的個人電腦采用四核處理器，比如英特爾i7和AMD Phenom X4。

多核給軟件帶來了挑戰。世界上功能最強大的超級計算機里面有數千個核，而在普通的消費類產品中，即便只是想極高效地利用幾個核心，都需要新的編程技術來劃分數據和處理，并且協調任務。上世紀八九十年代，研究人員已經為超級計算機解決好了并行編程的基礎性工作，而現在的難題是開發出用來編寫消費類應用軟件的語言和工具。據悉，微軟研究部門已發布了F#編程語言。瑞典愛立信公司推出的一門早期語言Erlang催生出了幾門更新的語言，包括Clojure和Scala。伊利諾斯大學等院校也在為多核芯片研發并行編程技術。

如果這些方法能得到完善，桌面和移動設備就可以有幾十個或更多個并行處理器，這些處理器單個所含的晶體管數量都少于現有芯片，但作為一個整體，運行速度更快。

更薄的材料:

納米管和自組裝

近十年來，業界權威將納米技術作為解決醫學、能源以及集成電路等行業各種挑戰的候選方案。一些擁護者更是認為，制造芯片的半導體行業實際上已經形成了一套納米技術學科，專門研發、生產越來越小的晶體管。

不過更現實的希望是，納米技術讓工程師們可以制造出特制分子(Designer Molecule)。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襯底的傳統互補金屬氧化物半導體(CMOS)電路。來自該研究小組的Joerg Appenzeller現任職于普渡大學，它正在設計尺寸比CMOS器件小得多的新型晶體管，有望更好地利用小型的納米管基部。

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期間對它們進行大批量組裝。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，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鍵結合的聚合物來制造內存電路。分子被放到硅晶片表面上經加熱后延展形成蜂巢結構，蜂巢孔的直徑只有20納米。然后，將圖案蝕刻到硅片上，形成這種尺寸的內存芯片。

速度更快的晶體管:超薄石墨烯

不斷縮小晶體管尺寸的目的是為了縮小電氣信號在芯片里面傳輸的距離，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)有望帶來更快的速度，這歸功于其天生的結構。

處理信息的邏輯芯片大多使用由CMOS技術做成的場效應晶體管。晶體管就好比是一塊狹長、長方形的多層蛋糕，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，最下面一層是半導體硅。石墨烯(最近剝離出來的一種碳分子)是一片在同一平面重復的六邊形，外觀像六角形鐵絲網，但厚度只有一個原子層厚。石墨烯片彼此堆疊起來，形成礦物質石墨，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電子的速度超過其他任何材料，比場效應晶體管快多了。由于散射或與晶格中的原子發生碰撞，電荷載體損失的能量非常少，所以產生的廢熱比較少。科學家們直到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，但研究人員對于研制出寬度只有10納米、高度只有一個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

如今可以制造出來的尺寸最小的商用晶體管只有32納米寬，相當于96個硅原子的總寬度。業界普遍認為，想利用幾十年來不斷完善的光刻技術制造出尺寸小于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，又能提供更強大的計算功能，那就是交叉線設計(Crossbar Design)。交叉線設計方法是在一個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(相當于兩條互相垂直的公路)，而不是全在一個平面制造晶體管(就像把多輛汽車塞到一條堵塞公路上的幾條車道)。兩組納米線線之間有一個分子厚的緩沖層。這兩組線之間存在的許多交叉點名為憶阻器(Memristor)，其工作方式類似開關，可以像晶體管那樣表示1和0(兩位數，即比特)。不過憶阻器還能存儲信息。這些功能結合起來，就能執行諸多計算任務。實際上，一個憶阻器就能完成10到15個晶體管的工作量。

惠普實驗室已利用30納米寬的鈦線和鉑線制造出交叉線設計的原型，而采用的材料和工藝類似于目前半導體行業所用的材料和工藝。惠普公司的研究人員認為，每條線的寬度最小能做到8納米。另外也有幾個研究小組在研究用硅、鈦和硫化銀做成交叉線。

光子計算:與光一樣快

替代硅芯片的全新技術仍然還處于研發初期，真正的商用產品可能十年后才會問世，但摩爾定律到那時可能走到頭了，所以研究人員不得不研發新的解決辦法—光學計算就是其中之一。

在光學計算中，載送信息的不是電子，而是光子。光子的載送速度要快得多，達到了光速;不過，要控制光也困難得多。通信線路中的光纜沿線處的光學開關其制造技術取得了進展，這有助于光學計算的研究。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處理器之間的光學互連器件。并行處理信息的處理器核心之間要來回傳送大量數據，所以連接處理器核心的引線會成為瓶頸，而光學互連器件有望改善數據傳送。惠普實驗室的研究人員正在評估可將傳送的信息量增加兩個數量級的設計。

其他機構組織正在研制光學互連器件來取代速度較慢的銅線，如今人們用銅線把處理器芯片與計算機里面的其他部件(如內存芯片和DVD驅動器)連起來。英特爾和加州大學圣巴巴拉分校的工程師們采用常規的半導體制造工藝，利用硅和磷酸銦研制出了光學“數據管道”。不過，純粹的光學計算芯片的出現還需要在技術層面取得一些根本性突破。

分子計算:用分子做成電路

在分子計算中，代表1和0的是分子，而不是晶體管。當分子是生物分子時(如DNA)，這類計算稱為分子計算(參閱下文的“生物計算:能存活的芯片”)。為了區分，工程師可能會將非生物分子計算稱為分子邏輯或分子電子學。

典型的晶體管有三個端子(可以想象成字母Y):源極、柵極和漏極。對柵極(Y的下半部)施加電壓后，就會引起電子在源極和漏極之間移動，形成1或0。從理論上來說，樹枝狀分子會引發信號以類似的方式移動。十年前，耶魯大學和賴斯大學的研究人員利用苯作為一種構建材料，研制出了分子開關。

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，一個現實的難題是必須找到制造復雜電路的方法。研究人員們認為，自組裝也許是一種解決辦法。2009年10月，賓夕法尼亞大學的一個科研小組單單利用促使自組裝的化學反應，就把鋅和結晶硫化鎘轉變成金屬-半導體超晶格電路。

量子計算:

表達出更多的信息

用一個個原子、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，元件相互之間的聯系由量子力學(即解釋原子行為的一套定律)管理。量子計算機可能擁有異常驚人的密度和速度，但實際制造量子計算機及管理隨之出現的量子效應卻困難重重。

原子和電子具有能在不同狀態下存在的特性，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中。一種名為自旋電子(Spintronics)的方法使用電子，電子的磁矩會在兩種旋轉方向中選擇其一。就好比一只球往一個方向或另一方向旋轉(分別表示1或0)。不過，兩個狀態還能共存于一個電子中，形成一種獨特的量子狀態，名為0和1的疊加(Superposition)。在疊加狀態下，一連串電子可以表示比一串只有普通比特狀態的硅晶體管多得多的信息。加州大學圣巴巴拉分校的科學家們已通過用蝕刻到金剛石上的空腔來俘獲電子，做成了許多不同的邏輯柵極。

在馬里蘭大學和美國國家標準技術研究所研究的另一種方法中，一串離子懸浮在帶電板之間，而激光可以快速轉動每個離子的磁定向(量子比特)。第二種方法是檢測離子發射出來的不同種類的光子，種類取決于離子的定向。

除了具有疊加優點外，量子元件還能表示出更多的信息，如多個量子比特的信息狀態可以結合起來，從而獲得處理信息。

生物計算:

能存活的芯片

生物計算用通常存在于生物體內的結構取代晶體管。備受關注的是DNA分子和RNA分子，它們中存儲著決定人體細胞生命的“編程信息”。一種令人遐想的遠景是，盡管一塊小指甲大小的芯片可能含有10億個晶體管，而一個同樣尺寸的處理器可能含有數萬億個DNA鏈。DNA鏈可以同時處理某項計算任務的不同部分，并且相互結合起來，以給出解決方案。除了元件數量多出幾個數量級外，生物芯片還有望提供大規模并行處理功能。

早期的生物電路通過組合及分開DNA鏈之間的鍵來處理信息。研究人員現正在研究可以在細胞里面存儲及復制的“遺傳計算機程序”。而面臨的挑戰是，找到對成批的生物元件進行編程的方法，以便它們能按預期的方式進行工作。這種計算機最終可能會首先出現在人體內流動的血液中，而不是辦公桌面上。以色列雷霍沃特魏茨曼科學研究所的研究人員已利用DNA研制出一種簡單的處理器，他們現正在努力讓處理器組件可以在活生生的細胞里面工作，并與細胞周圍環境進行通信。

鏈接

石墨烯材料的特點

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。首先石墨烯具有遠比硅高的載流子遷移率，是一種性能優異的半導體材料。此外，石墨烯還可用于制造復合材料、電池/超級電容、儲氫材料、場發射材料以及超靈敏傳感器等。

科學家們對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。石墨烯很有可能會成為硅的替代品。在制作復雜電路時，納米管必須經過仔細篩選和定位，目前還沒有開發出非常好的方法，而這對石墨烯而言則要容易得多。

硅基的微計算機處理器，在室溫條件下每秒鐘只能執行一定數量的操作，然而電子穿過石墨烯幾乎沒有任何阻力，所產生的熱量也非常少。此外，石墨烯本身就是一個良好的導熱體，可以很快地散發熱量。由于具有優異的性能，用石墨烯制造的電子產品運行的速度要快得多。

石墨烯器件還能用于需要高速工作的通信技術和成像技術，能用來探測隱藏的武器。然而，速度還不是石墨烯的惟一優點。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，石墨烯分割成一個納米的小片時，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揮。(文/吳康迪)