前沿科技解讀丨小一點，再小一點！超越「摩爾定律」的未來電腦晶片

「摩爾定律」的未來電腦晶片

文/ 王麟

摩爾定律

計算機技術一日千里，晶片更新換代幾十年，依然受到「摩爾定律」的嚴格約束。

不過，電腦晶片越做越小，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年時間裡，由於技術提高緩慢，成本處於平穩狀態，傳統電腦晶片之路越來越接近死胡同。

未來的電腦晶片將何去何從？能否超越「摩爾定律」，開闢一片新天地呢？

「摩爾定律」失靈了？

說「摩爾定律」失靈了是基於什麼原因呢？

28納米尺寸將成主流

目前通用的電腦晶片的尺寸是40納米，而28納米尺寸的晶片市場占有量即將成為主流。

在2015年，14納米的矽電晶體製造技術尚在研發之中，僅僅過了一年時間，根據2016年10月的科技報導，1納米的電晶體已經順利誕生。

這是美國勞倫斯伯克利國家實驗室取得的研發成果。

這種電晶體已經不再利用矽做原材料，而是採用了納米碳管和二硫化鉬，因為矽晶片的尺寸最小只能做到5納米。

無論何種材料，當其尺寸達到物理極限之後，就會產生量子效應，經典物理定律不再適用，這就是物理尺寸的天花板。

▲美國勞倫斯伯克利國家實驗室外景

▲研製出1納米電晶體的研究員Ali Javey和Sujay Desai

混亂的「0」和「1」

當矽晶片尺寸小於5納米之時，就會產生量子「隧穿效應」，即電子會自行穿越電晶體的「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，柵極會根據施加的電壓選擇開或者關），造成「0」和「1」的邏輯錯誤，這種現象俗稱「漏電」。

「隧道效應」與電晶體採用的材料的化學特性無關，只與晶片的大小有關。

回報率越來越低

隨著晶片尺寸減小和晶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，晶片的技術研發成本高昂，一般公司難以承受，需要另闢蹊徑，這就逼迫科學家們必須尋找矽晶片的替代品。

那麼，如何才能超越「摩爾定律」，讓未來電腦晶片越來越「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」，未來晶片的製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、單晶複合氧化物等，就讓我們看看這些新奇的材料到底蘊含著何種巨大威力吧。

六邊形的應用典範——碳納米管

在電腦晶片發展初期，一般採用鋁導線進行連接。

然而，隨著晶片尺寸不斷走低，銅質導線因其卓越的電流傳輸性能替代了鋁質導線。

不過，當晶片的尺寸以每年13%的速率減小的時候，銅質導線遭遇了尺寸和技術的雙重瓶頸。

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年由日本電鏡學家飯島博士發現的，這是由碳原子連接而成的六邊形中空管狀一維導體結構。

碳納米管的結構很特殊，它的徑向尺寸是納米級的，而軸向尺寸是微米級的。

特殊的結構讓碳納米管強度極高，堪比金剛石，同時導電性能極佳，是銅質導線的3倍以上。

此外，碳納米管具備良好的熱穩定性，在真空狀態下，即使處於2 800℃的高溫環境中，也能保持性能穩定，這對解決未來納米級晶片的散熱問題意義重大。

美國勞倫斯伯克利國家實驗室在2016年下半年宣布研製成功的1納米電晶體，採用的是二硫化鉬和碳納米管。

科學家們告訴我們，利用碳納米管製造柵極，就能有效控制電流，將「隧道效應」降低，保證晶片的性能穩定。

復古的典範——真空管

再說真空管，很多人的腦海中立刻浮現出20 世紀40 年代計算機剛出現之時龐大偉岸的身姿——一台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製造的。

如今這種早已被淘汰的老技術，真的能夠「鹹魚翻身」，成為未來晶片技術的後備軍嗎？答案是：可以！美國加利福尼亞理工學院納米製造集團的主管阿克塞爾·謝雷爾帶領一支研究團隊重新將目光轉向了真空管技術，準備研發一種新型的真空管，尺寸只有以前產品的百萬分之一。

而且由於真空管控制電流的方式與電晶體不同，困擾矽晶片的量子「隧穿效應」，反而能被真空管利用，作為真空管晶片的電子開關，變缺點為優點。

這種超小型真空管製成的晶片，速度更快，耗能更低。

潮流的典範——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，它的厚度只相當於一個碳原子，甚至有科學家預言，石墨烯會成為下一次工業革命的核心。

在電腦晶片研究領域，美國麻省理工學院相關研究人員指出：石墨烯的特殊性質能夠降低光速，會產生「光爆」現象。

在光爆過程中，石墨烯中的電子會釋放出「等離子體激元」。

科學家們利用這一現象，就能夠研發未來新型光基電路。

另外，傳統的晶片採用矽基材料，晶片的結構為單層，中間通過銅導線互連。

當晶片之間距離過遠，並且傳輸的數據流量大的時候，速度就會變慢，並且耗能也高。

而石墨烯也呈六角型，且是一種蜂巢晶格式的平面薄膜，具備極好的傳導性，能夠做到快速傳輸數據，提升晶片速率。

根據荷蘭代夫特理工大學的研究結果，發現石墨烯還有一項神奇的性能，就是能夠在光的作用下發生振動。

根據這個原理，科學家們能夠檢測到極微小的位移和力度變化，精度達到17飛米（1飛米相當於原子直徑的萬分之一），由此可以研製一種「石墨烯鼓面」。

利用石墨烯鼓面， 就可以開發用於量子計算機的內存晶片。

除了上述幾類未來晶片的候選材料之外，科學家們還持續在晶片技術領域進行研究，有些已經取得了重大突破，比如隧道場效應電晶體、納米機電開關、單電子電晶體、量子元胞自動機、原子開關、自旋場效應電晶體等，都屬於備選方案。

它們給未來的晶片超越「摩爾定律」帶來了曙光，也讓晶片未來的發展有了更多的可能，就讓我們拭目以待吧。

來源：今日科協微信公眾號

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