小一點(diǎn)，再小一點(diǎn)！超越“摩爾定律”的未來電腦芯片

王麟

計(jì)算機(jī)技術(shù)一日千里，芯片更新?lián)Q代幾十年，依然受到“摩爾定律 ”的嚴(yán)格約束。不過，電腦芯片越做越小，最終會觸碰到尺寸天花板，“摩爾定律”至此就會失靈。就在最近2年時間里，由于技術(shù)提高緩慢，成本處于平穩(wěn)狀態(tài)，傳統(tǒng)電腦芯片之路越來越接近死胡同。未來的電腦芯片將何去何從？能否超越“摩爾定律”，開辟一片新天地呢？

“摩爾定律”失靈了？

說“摩爾定律”失靈了是基于什么原因呢？

·28納米尺寸將成主流·

目前通用的電腦芯片的尺寸是40納米，而28納米尺寸的芯片市場占有量即將成為主流。在2015年，14納米的硅晶體管制造技術(shù)尚在研發(fā)之中，僅僅過了一年時間，根據(jù)2016年10月的科技報道，1納米的晶體管已經(jīng)順利誕生。這是美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室取得的研發(fā)成果。這種晶體管已經(jīng)不再利用硅做原材料，而是采用了納米碳管和二硫化鉬，因?yàn)楣栊酒某叽缱钚≈荒茏龅?納米。無論何種材料，當(dāng)其尺寸達(dá)到物理極限之后，就會產(chǎn)生量子效應(yīng)，經(jīng)典物理定律不再適用，這就是物理尺寸的天花板。

·混亂的“0”和“1”·

當(dāng)硅芯片尺寸小于5納米之時，就會產(chǎn)生量子“隧穿效應(yīng)”，即電子會自行穿越晶體管的“柵極”和“源極”通道（一般來說，電流是從源極流到漏極，流動過程被柵極控制，柵極會根據(jù)施加的電壓選擇開或者關(guān)），造成“0”和“1”的邏輯錯誤，這種現(xiàn)象俗稱“漏電”。“隧道效應(yīng)”與晶體管采用的材料的化學(xué)特性無關(guān)，只與芯片的大小有關(guān)。

·回報率越來越低·

隨著芯片尺寸減小和芯片上集成電路的增加，耗能和散熱問題將會越來越難以解決。其次，芯片的技術(shù)研發(fā)成本高昂，一般公司難以承受，需要另辟蹊徑，這就逼迫科學(xué)家們必須尋找硅芯片的替代品。

那么，如何才能超越“摩爾定律”，讓未來電腦芯片越來越“高大上”呢？

巧婦難為無米之炊：選好材料是首要

所謂“巧婦難為無米之炊”，未來芯片的制造首先要解決的是材料問題。目前備選材料有碳納米管、真空管、石墨烯、單晶復(fù)合氧化物等，就讓我們看看這些新奇的材料到底蘊(yùn)含著何種巨大威力吧。

·六邊形的應(yīng)用典范——碳納米管·

在電腦芯片發(fā)展初期，一般采用鋁導(dǎo)線進(jìn)行連接。然而，隨著芯片尺寸不斷走低，銅質(zhì)導(dǎo)線因其卓越的電流傳輸性能替代了鋁質(zhì)導(dǎo)線。不過，當(dāng)芯片的尺寸以每年13%的速率減小的時候，銅質(zhì)導(dǎo)線遭遇了尺寸和技術(shù)的雙重瓶頸。如何解決這個難題？碳納米管此時就派上了用場。

碳納米管是在1991年由日本電鏡學(xué)家飯島博士發(fā)現(xiàn)的，這是由碳原子連接而成的六邊形中空管狀一維導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。碳納米管的結(jié)構(gòu)很特殊，它的徑向尺寸是納米級的，而軸向尺寸是微米級的。特殊的結(jié)構(gòu)讓碳納米管強(qiáng)度極高，堪比金剛石，同時導(dǎo)電性能極佳，是銅質(zhì)導(dǎo)線的3倍以上。此外，碳納米管具備良好的熱穩(wěn)定性，在真空狀態(tài)下，即使處于2 800℃的高溫環(huán)境中，也能保持性能穩(wěn)定，這對解決未來納米級芯片的散熱問題意義重大。

美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室在2016年下半年宣布研制成功的1納米晶體管，采用的是二硫化鉬和碳納米管。科學(xué)家們告訴我們，利用碳納米管制造柵極，就能有效控制電流，將“隧道效應(yīng)”降低，保證芯片的性能穩(wěn)定。

·復(fù)古的典范——真空管·

再說真空管，很多人的腦海中立刻浮現(xiàn)出20世紀(jì)40年代計(jì)算機(jī)剛出現(xiàn)之時龐大偉岸的身姿——一臺電腦可以裝滿一間屋子。那時電腦的核心部件就是用真空管制造的。如今這種早已被淘汰的老技術(shù)，真的能夠“咸魚翻身”，成為未來芯片技術(shù)的后備軍嗎？答案是：可以！美國加利福尼亞理工學(xué)院納米制造集團(tuán)的主管阿克塞爾·謝雷爾帶領(lǐng)一支研究團(tuán)隊(duì)重新將目光轉(zhuǎn)向了真空管技術(shù)，準(zhǔn)備研發(fā)一種新型的真空管，尺寸只有以前產(chǎn)品的百萬分之一。而且由于真空管控制電流的方式與晶體管不同，困擾硅芯片的量子“隧穿效應(yīng)”，反而能被真空管利用，作為真空管芯片的電子開關(guān)，變?nèi)秉c(diǎn)為優(yōu)點(diǎn)。這種超小型真空管制成的芯片，速度更快，耗能更低。

·潮流的典范——石墨烯·

近年來，石墨烯這種材料越來越為人們所熟知，石墨烯是目前世界上最薄、最硬的材料，它的厚度只相當(dāng)于一個碳原子，甚至有科學(xué)家預(yù)言，石墨烯會成為下一次工業(yè)革命的核心。

在電腦芯片研究領(lǐng)域，美國麻省理工學(xué)院相關(guān)研究人員指出：石墨烯的特殊性質(zhì)能夠降低光速，會產(chǎn)生“光爆”現(xiàn)象。在光爆過程中，石墨烯中的電子會釋放出“等離子體激元”。科學(xué)家們利用這一現(xiàn)象，就能夠研發(fā)未來新型光基電路。另外，傳統(tǒng)的芯片采用硅基材料，芯片的結(jié)構(gòu)為單層，中間通過銅導(dǎo)線互連。當(dāng)芯片之間距離過遠(yuǎn)，并且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量大的時候，速度就會變慢，并且耗能也高。而石墨烯也呈六角型，且是一種蜂巢晶格式的平面薄膜，具備極好的傳導(dǎo)性，能夠做到快速傳輸數(shù)據(jù)，提升芯片速率。

根據(jù)荷蘭代夫特理工大學(xué)的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)石墨烯還有一項(xiàng)神奇的性能，就是能夠在光的作用下發(fā)生振動。根據(jù)這個原理，科學(xué)家們能夠檢測到極微小的位移和力度變化，精度達(dá)到17飛米（1飛米相當(dāng)于原子直徑的萬分之一），由此可以研制一種“石墨烯鼓面”。利用石墨烯鼓面，就可以開發(fā)用于量子計(jì)算機(jī)的內(nèi)存芯片。

除了上述幾類未來芯片的候選材料之外，科學(xué)家們還持續(xù)在芯片技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行研究，有些已經(jīng)取得了重大突破，比如隧道場效應(yīng)晶體管、納米機(jī)電開關(guān)、單電子晶體管、量子元胞自動機(jī)、原子開關(guān)、自旋場效應(yīng)晶體管等，都屬于備選方案。它們給未來的芯片超越“摩爾定律”帶來了曙光，也讓芯片未來的發(fā)展有了更多的可能，就讓我們拭目以待吧。