后摩尔定律时代 哪些技术将主导芯片产业
2018-06-11 来源：
1975年，芯片产业的先驱戈登·摩尔（Gordon Moore）发布了著名的摩尔定律：集成电路芯片的复杂程度每过两年就会增加一倍。此后的几十年来，在这一定律的指引下，芯片制造工艺的进步让芯片的晶体管尺寸得以不断缩小，从而使电气信号传输的距离更短，处理速度也更快。
对电子行业和消费者来说，摩尔定律意味着计算机类设备的尺寸将变得更小、速度更快、成本更低。当然，这一切都要归功于半导体设计和制造方面坚持不懈的创新，35年来芯片在一如既往地遵循这条轨迹。不过，工程师们也清楚，摩尔定律终究会在某个时候陷入绝境，因为晶体管会变得只有几十个原子那么厚。这么小的尺寸正在逼近基本的物理定律的极限，而实际上在逼近这个极限前就已经出现了两个很实际的问题：想把这么小的晶体管如此近地放在一起，又要获得高产量（质量合格的芯片，而不是有瑕疵的芯片），成本会变得过于高昂；而另一方面，一大堆晶体管进行开关操作时产生的热量会急剧攀升，足以烧毁元件本身。
的确，这些问题几年前已经开始显现了。如今普通的个人电脑普遍采用“双核”芯片——意味着使用两个小处理器，而不是一个处理器，这种设计的一个非常主要的原因是，如果把所需数量的晶体管封装到一块芯片上并解决散热问题已变得困难重重。芯片设计人员改而选择并排放置两块或更多块芯片，并对它们进行编程，以便并行处理信息。
摩尔定律最终可能会寿终正寝。如果真是那样的话，工程师们该如何继续制造出功能更强大的芯片呢？改用新的架构或者研发可以逐个原子组装的纳米材料是研究人员正在研究的两种办法。另外一些办法还包括量子计算和生物计算。下面会介绍一些技术，其中一些目前还处于原型阶段。在接下来的20年里，这些技术有望让计算机继续遵循“尺寸更小、速度更快、成本更低” 这条道路向前发展。
散热：研发新型散热器
由于一块芯片上的晶体管数量多达10亿只，消除晶体管在开关操作时生成的热量是一大挑战。虽然个人电脑里面有空间容纳风扇，但即便如此，每块芯片约100瓦的功耗却已是其散热极限。为此研究人员开始设计一些新颖的替代技术。MacBook Air笔记本电脑采用由热传导铝制成的精美外壳，并充当散热器。在苹果Power Mac G5个人电脑中，液体（水）从处理器芯片下面的微通道流过以散热 。
不过，液体和电子器件却是一个不可靠的组合，像智能手机这些比较小的便携式装置根本没有地方来容纳管道或风扇。英特尔的一支研究小组已把一层碲化铋超晶格薄膜做到芯片封装体中。温差电材料把温度梯度转变成电信号，实际上对芯片本身起到了散热效果。
初创公司Ventiva正在普渡大学研究工作的基础上，研制一种没有活动部件的小型固态“风扇”，它利用电晕风效应（Corona Wind Effect）来生成一股微风—安静的家用空气净化器采用了这种技术。稍稍凹下去的格栅有带电导线，可以生成微型等离子体。这种气体状混合物里面的离子促使空气分子从带电导线转移到相邻极板，生成一股风。这种风扇生成的气流比普通的机械风扇大，而尺寸要小得多。其他创新公司则在制造斯特令发动机风扇（不过有些笨重），其特点是能生成风，又不用耗电，芯片冷热部位之间的温差是驱动这些风扇的动力。
架构：多核成为主流
更小的晶体管能够更快地进行开关操作（表示0和1），因而芯片速度更快。但是当芯片达到散热极限后，时钟频率（芯片在一秒内可以处理的指令数量）也就无法再提高，保持在三四兆赫兹。人们希望在散热和速度极限范围内获得更高的性能，于是设计师们把两个处理器或核心放在同一块芯片上。虽然每个核心的运行速度与之前的处理器一样快，但由于两个核心并行工作，所以在特定的时间内能够处理更多数据，耗电量比较低，散热也比较少。现在最新的个人电脑采用四核处理器，比如英特尔i7和AMD Phenom X4。
多核给软件带来了挑战。世界上功能最强大的超级计算机里面有数千个核，而在普通的消费类产品中，即便只是想极高效地利用几个核心，都需要新的编程技术来划分数据和处理，并且协调任务。上世纪八九十年代，研究人员已经为超级计算机解决好了并行编程的基础性工作，而现在的难题是开发出用来编写消费类应用软件的语言和工具。据悉，微软研究部门已发布了F#编程语言。瑞典爱立信公司推出的一门早期语言Erlang催生出了几门更新的语言，包括Clojure和Scala。伊利诺斯大学等院校也在为多核芯片研发并行编程技术。
如果这些方法能得到完善，桌面和移动设备就可以有几十个或更多个并行处理器，这些处理器单个所含的晶体管数量都少于现有芯片，但作为一个整体，运行速度更快。
更薄的材料：纳米管和自组装
近十年来，业界权威将纳米技术作为解决医学、能源以及集成电路等行业各种挑战的候选方案。一些拥护者更是认为，制造芯片的半导体行业实际上已经形成了一套纳米技术学科，专门研发、生产越来越小的晶体管。
不过更现实的希望是，纳米技术让工程师们可以制造出特制分子（Designer Molecule）。比如，用碳纳米管组装而成的晶体管可以做得极小。IBM公司的工程师们已制造出用碳纳米管而不是硅作为传导衬底的传统互补金属氧化物半导体（CMOS）电路。来自该研究小组的Joerg Appenzeller现任职于普渡大学，它正在设计尺寸比CMOS器件小得多的新型晶体管，有望更好地利用小型的纳米管基部。
排列分子、甚至排列原子很棘手，特别是由于需要在芯片生产期间对它们进行大批量组装。一种解决方案是使用能自组装的分子：把这些分子混合起来，然后让它们受到热、光或离心力的作用，让它们自己排列成所需的图案。
IBM已研究出如何利用化学键结合的聚合物来制造内存电路。分子被放到硅晶片表面上经加热后延展形成蜂巢结构，蜂巢孔的直径只有20纳米。然后，将图案蚀刻到硅片上，形成这种尺寸的内存芯片。
速度更快的晶体管：超薄石墨烯
不断缩小晶体管尺寸的目的是为了缩小电气信号在芯片里面传输的距离，从而加快处理信息的速度。但一种特别的纳米材料—石墨烯（Graphene）有望带来更快的速度，这归功于其天生的结构。
处理信息的逻辑芯片大多使用由CMOS技术做成的场效应晶体管。晶体管就好比是一块狭长、长方形的多层蛋糕，最上面一层是铝（或者最近常用的多晶硅），中间一层是绝缘氧化物，最下面一层是半导体硅。石墨烯（最近剥离出来的一种碳分子）是一片在同一平面重复的六边形，外观像六角形铁丝网，但厚度只有一个原子层厚。石墨烯片彼此堆叠起来，形成矿物质石墨，也就是我们所熟悉的那种铅笔“芯”。纯晶体形式的石墨烯在室温下传导电子的速度超过其他任何材料，比场效应晶体管快多了。由于散射或与晶格中的原子发生碰撞，电荷载体损失的能量非常少，所以产生的废热比较少。科学家们直到2004年才剥离出石墨烯这种材料，因此这方面的研究工作仍处于早期阶段，但研究人员对于研制出宽度只有10纳米、高度只有一个原子大小的石墨烯晶体管满怀信心。众多电路也许有望蚀刻到一块小小的石墨烯片上。
大小：采用交叉线寻求突破
如今可以制造出来的尺寸最小的商用晶体管只有32纳米宽，相当于96个硅原子的总宽度。业界普遍认为，想利用几十年来不断完善的光刻技术制造出尺寸小于22纳米的元件极其困难。
但是，有一种方法可以制造出尺寸相似的电路元件，又能提供更强大的计算功能，那就是交叉线设计（Crossbar Design）。交叉线设计方法是在一个平面上有一组并行纳米线，同第二组与该平面成直角的纳米线交叉（相当于两条互相垂直的公路），而不是全在一个平面制造晶体管（就像把多辆汽车塞到一条堵塞公路上的几条车道）。两组纳米线线之间有一个分子厚的缓冲层。这两组线之间存在的许多交叉点名为忆阻器（Memristor），其工作方式类似开关，可以像晶体管那样表示1和0（两位数，即比特）。不过忆阻器还能存储信息。这些功能结合起来，就能执行诸多计算任务。实际上，一个忆阻器就能完成10到15个晶体管的工作量。
惠普实验室已利用30纳米宽的钛线和铂线制造出交叉线设计的原型，而采用的材料和工艺类似于目前半导体行业所用的材料和工艺。惠普公司的研究人员认为，每条线的宽度最小能做到8纳米。另外也有几个研究小组在研究用硅、钛和硫化银做成交叉线。
光子计算：与光一样快
替代硅芯片的全新技术仍然还处于研发初期，真正的商用产品可能十年后才会问世，但摩尔定律到那时可能走到头了，所以研究人员不得不研发新的解决办法—光学计算就是其中之一。
在光学计算中，载送信息的不是电子，而是光子。光子的载送速度要快得多，达到了光速；不过，要控制光也困难得多。通信线路中的光缆沿线处的光学开关其制造技术取得了进展，这有助于光学计算的研究。出人意料的是，最重要的研究其目的却是，研制出介于多核芯片上传统处理器之间的光学互连器件。并行处理信息的处理器核心之间要来回传送大量数据，所以连接处理器核心的引线会成为瓶颈，而光学互连器件有望改善数据传送。惠普实验室的研究人员正在评估可将传送的信息量增加两个数量级的设计。
其他机构组织正在研制光学互连器件来取代速度较慢的铜线，如今人们用铜线把处理器芯片与计算机里面的其他部件（如内存芯片和DVD驱动器）连起来。英特尔和加州大学圣巴巴拉分校的工程师们采用常规的半导体制造工艺，利用硅和磷酸铟研制出了光学“数据管道”。不过，纯粹的光学计算芯片的出现还需要在技术层面取得一些根本性突破。
分子计算：用分子做成电路
在分子计算中，代表1和0的是分子，而不是晶体管。当分子是生物分子时（如DNA），这类计算称为分子计算（参阅下文的“生物计算：能存活的芯片”）。为了区分，工程师可能会将非生物分子计算称为分子逻辑或分子电子学。
典型的晶体管有三个端子（可以想象成字母Y）：源极、栅极和漏极。对栅极（Y的下半部）施加电压后，就会引起电子在源极和漏极之间移动，形成1或0。从理论上来说，树枝状分子会引发信号以类似的方式移动。十年前，耶鲁大学和赖斯大学的研究人员利用苯作为一种构建材料，研制出了分子开关。
分子可能很小，所以用分子做成的电路可能比用硅做成的电路小得多。不过，一个现实的难题是必须找到制造复杂电路的方法。研究人员们认为，自组装也许是一种解决办法。2009年10月，宾夕法尼亚大学的一个科研小组单单利用促使自组装的化学反应，就把锌和结晶硫化镉转变成金属－半导体超晶格电路。
量子计算：表达出更多的信息
用一个个原子、电子甚至光子做成的电路元件将是尺寸最小的元件。在这么小的尺寸范围内，元件相互之间的联系由量子力学（即解释原子行为的一套定律）管理。量子计算机可能拥有异常惊人的密度和速度，但实际制造量子计算机及管理随之出现的量子效应却困难重重。
原子和电子具有能在不同状态下存在的特性，能够组成量子比特（Qubit）。研究处理量子比特的几种方法正在试验中。一种名为自旋电子（Spintronics）的方法使用电子，电子的磁矩会在两种旋转方向中选择其一。就好比一只球往一个方向或另一方向旋转（分别表示1或0）。不过，两个状态还能共存于一个电子中，形成一种独特的量子状态，名为0和1的叠加（Superposition）。在叠加状态下，一连串电子可以表示比一串只有普通比特状态的硅晶体管多得多的信息。加州大学圣巴巴拉分校的科学家们已通过用蚀刻到金刚石上的空腔来俘获电子，做成了许多不同的逻辑栅极。
在马里兰大学和美国国家标准技术研究所研究的另一种方法中，一串离子悬浮在带电板之间，而激光可以快速转动每个离子的磁定向（量子比特）。第二种方法是检测离子发射出来的不同种类的光子，种类取决于离子的定向。
除了具有叠加优点外，量子元件还能表示出更多的信息，如多个量子比特的信息状态可以结合起来，从而获得处理信息。
生物计算：能存活的芯片
生物计算用通常存在于生物体内的结构取代晶体管。备受关注的是DNA分子和RNA分子，它们中存储着决定人体细胞生命的“编程信息”。一种令人遐想的远景是，尽管一块小指甲大小的芯片可能含有10亿个晶体管，而一个同样尺寸的处理器可能含有数万亿个DNA链。DNA链可以同时处理某项计算任务的不同部分，并且相互结合起来，以给出解决方案。除了元件数量多出几个数量级外，生物芯片还有望提供大规模并行处理功能。
早期的生物电路通过组合及分开DNA链之间的键来处理信息。研究人员现正在研究可以在细胞里面存储及复制的“遗传计算机程序”。而面临的挑战是，找到对成批的生物元件进行编程的方法，以便它们能按预期的方式进行工作。这种计算机最终可能会首先出现在人体内流动的血液中，而不是办公桌面上。以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的研究人员已利用DNA研制出一种简单的处理器，他们现正在努力让处理器组件可以在活生生的细胞里面工作，并与细胞周围环境进行通信。
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