小一点，再小一点！超越“摩尔定律”的未来电脑芯片

王麟

计算机技术一日千里，芯片更新换代几十年，依然受到“摩尔定律 ”的严格约束。不过，电脑芯片越做越小，最终会触碰到尺寸天花板，“摩尔定律”至此就会失灵。就在最近2年时间里，由于技术提高缓慢，成本处于平稳状态，传统电脑芯片之路越来越接近死胡同。未来的电脑芯片将何去何从？能否超越“摩尔定律”，开辟一片新天地呢？

“摩尔定律”失灵了？

说“摩尔定律”失灵了是基于什么原因呢？

·28纳米尺寸将成主流·

目前通用的电脑芯片的尺寸是40纳米，而28纳米尺寸的芯片市场占有量即将成为主流。在2015年，14纳米的硅晶体管制造技术尚在研发之中，仅仅过了一年时间，根据2016年10月的科技报道，1纳米的晶体管已经顺利诞生。这是美国劳伦斯伯克利国家实验室取得的研发成果。这种晶体管已经不再利用硅做原材料，而是采用了纳米碳管和二硫化钼，因为硅芯片的尺寸最小只能做到5纳米。无论何种材料，当其尺寸达到物理极限之后，就会产生量子效应，经典物理定律不再适用，这就是物理尺寸的天花板。

·混乱的“0”和“1”·

当硅芯片尺寸小于5纳米之时，就会产生量子“隧穿效应”，即电子会自行穿越晶体管的“栅极”和“源极”通道（一般来说，电流是从源极流到漏极，流动过程被栅极控制，栅极会根据施加的电压选择开或者关），造成“0”和“1”的逻辑错误，这种现象俗称“漏电”。“隧道效应”与晶体管采用的材料的化学特性无关，只与芯片的大小有关。

·回报率越来越低·

随着芯片尺寸减小和芯片上集成电路的增加，耗能和散热问题将会越来越难以解决。其次，芯片的技术研发成本高昂，一般公司难以承受，需要另辟蹊径，这就逼迫科学家们必须寻找硅芯片的替代品。

那么，如何才能超越“摩尔定律”，让未来电脑芯片越来越“高大上”呢？

巧妇难为无米之炊：选好材料是首要

所谓“巧妇难为无米之炊”，未来芯片的制造首先要解决的是材料问题。目前备选材料有碳纳米管、真空管、石墨烯、单晶复合氧化物等，就让我们看看这些新奇的材料到底蕴含着何种巨大威力吧。

·六边形的应用典范——碳纳米管·

在电脑芯片发展初期，一般采用铝导线进行连接。然而，随着芯片尺寸不断走低，铜质导线因其卓越的电流传输性能替代了铝质导线。不过，当芯片的尺寸以每年13%的速率减小的时候，铜质导线遭遇了尺寸和技术的双重瓶颈。如何解决这个难题？碳纳米管此时就派上了用场。

碳纳米管是在1991年由日本电镜学家饭岛博士发现的，这是由碳原子连接而成的六边形中空管状一维导体结构。碳纳米管的结构很特殊，它的径向尺寸是纳米级的，而轴向尺寸是微米级的。特殊的结构让碳纳米管强度极高，堪比金刚石，同时导电性能极佳，是铜质导线的3倍以上。此外，碳纳米管具备良好的热稳定性，在真空状态下，即使处于2 800℃的高温环境中，也能保持性能稳定，这对解决未来纳米级芯片的散热问题意义重大。

美国劳伦斯伯克利国家实验室在2016年下半年宣布研制成功的1纳米晶体管，采用的是二硫化钼和碳纳米管。科学家们告诉我们，利用碳纳米管制造栅极，就能有效控制电流，将“隧道效应”降低，保证芯片的性能稳定。

·复古的典范——真空管·

再说真空管，很多人的脑海中立刻浮现出20世纪40年代计算机刚出现之时庞大伟岸的身姿——一台电脑可以装满一间屋子。那时电脑的核心部件就是用真空管制造的。如今这种早已被淘汰的老技术，真的能够“咸鱼翻身”，成为未来芯片技术的后备军吗？答案是：可以！美国加利福尼亚理工学院纳米制造集团的主管阿克塞尔·谢雷尔带领一支研究团队重新将目光转向了真空管技术，准备研发一种新型的真空管，尺寸只有以前产品的百万分之一。而且由于真空管控制电流的方式与晶体管不同，困扰硅芯片的量子“隧穿效应”，反而能被真空管利用，作为真空管芯片的电子开关，变缺点为优点。这种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·

近年来，石墨烯这种材料越来越为人们所熟知，石墨烯是目前世界上最薄、最硬的材料，它的厚度只相当于一个碳原子，甚至有科学家预言，石墨烯会成为下一次工业革命的核心。

在电脑芯片研究领域，美国麻省理工学院相关研究人员指出：石墨烯的特殊性质能够降低光速，会产生“光爆”现象。在光爆过程中，石墨烯中的电子会释放出“等离子体激元”。科学家们利用这一现象，就能够研发未来新型光基电路。另外，传统的芯片采用硅基材料，芯片的结构为单层，中间通过铜导线互连。当芯片之间距离过远，并且传输的数据流量大的时候，速度就会变慢，并且耗能也高。而石墨烯也呈六角型，且是一种蜂巢晶格式的平面薄膜，具备极好的传导性，能够做到快速传输数据，提升芯片速率。

根据荷兰代夫特理工大学的研究结果，发现石墨烯还有一项神奇的性能，就是能够在光的作用下发生振动。根据这个原理，科学家们能够检测到极微小的位移和力度变化，精度达到17飞米（1飞米相当于原子直徑的万分之一），由此可以研制一种“石墨烯鼓面”。利用石墨烯鼓面，就可以开发用于量子计算机的内存芯片。

除了上述几类未来芯片的候选材料之外，科学家们还持续在芯片技术领域进行研究，有些已经取得了重大突破，比如隧道场效应晶体管、纳米机电开关、单电子晶体管、量子元胞自动机、原子开关、自旋场效应晶体管等，都属于备选方案。它们给未来的芯片超越“摩尔定律”带来了曙光，也让芯片未来的发展有了更多的可能，就让我们拭目以待吧。