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這項(xiàng)技術(shù)能讓芯片小于10納米改變計算機(jī)的未來

時間：2016-06-07 09:26:35 來源：騰訊數(shù)碼作者：智能界大百科

[摘要]加利福尼亞理工學(xué)院試圖開發(fā)超小型真空管，用來替晶體管。和100多歲的老技術(shù)相比，新真空管尺寸只有之前的一百萬分之一。

計算的未來在哪里？也許在過去。20世紀(jì) 70年代，硅晶體管取代真空管用在眾多消費(fèi)產(chǎn)品中。硅晶體管相當(dāng)于小開關(guān)，用現(xiàn)代微電子技術(shù)制造?，F(xiàn)在，為了讓晶體管尺寸進(jìn)一步縮小，技術(shù)挑戰(zhàn)越來越大，真空管可能會再次回歸。

在加州理工學(xué)院校園的地下室里有一個黑暗的實(shí)驗(yàn)室，兩名學(xué)生的眼光穿過塑料真空室的厚壁，注視著他們的寶貝——下一代計算機(jī)芯片，它用類似真空管一樣的電路制造，每個真空管的尺寸大約只有紅細(xì)胞的千分之一。

讓芯片更小

電子工程師有一個術(shù)語叫作“scaling”，也就是持續(xù)縮小電子電路的尺寸，它關(guān)系到我們的未來。問題在于，現(xiàn)在的電子電路跟病毒一樣小，繼續(xù)縮小越來越困難。

50多年前，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）預(yù)言了微電子的崛起，他曾經(jīng)說過“在底部還有很大的空間”。1959年，費(fèi)曼作出猜測，人類將可以對單個原子進(jìn)行工程操作，他當(dāng)時說了這句話。幾年之后，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人摩爾（Gordon Moore）指出，在可預(yù)見的未來，硅片上可以植入的晶體管數(shù)量每隔一段時間就會翻倍。

然而，越來越多的證據(jù)顯示，提升的代價相當(dāng)昂貴。制程緩慢縮小，兩代新芯片之間的時間周期越來越長，單個晶體管（雖然已經(jīng)很?。┑某杀静辉傧禄?。小小的晶體管困擾芯片設(shè)計者，因?yàn)樾酒冃〉臅r候也產(chǎn)生了許多不必要的熱量。

加利福尼亞理工學(xué)院納米制造集團(tuán)（Nanofabrication Group）主管阿克塞爾·謝雷爾（Axel Scherer）與兩名學(xué)生馬克斯·瓊斯（Max Jones）、丹尼爾·盧金（Daniil Lukin）合作，試圖開發(fā)超小型真空管，用來替晶體管。在他們的實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)開發(fā)出電路，功能和真空管差不多，但是和100多歲的老技術(shù)相比，新真空管尺寸只有之前的一百萬分之一。

貝爾實(shí)驗(yàn)室前電子工程師阿蘭·黃（Alan Huang）認(rèn)為：“計算機(jī)技術(shù)可能是按周期發(fā)展的，上一代開發(fā)的某些算法有時會用在下一代產(chǎn)品中。”

上一次研發(fā)人員研究真空管還是在20世紀(jì)90年代，當(dāng)時真空管有希望用來制造平板顯示器。但是最終技術(shù)并沒有騰飛，因?yàn)長CD更便宜、效率更高。

謝雷爾笑著說：“真空管大約每隔10年回歸一次。”

幾十年來，真空管一直重復(fù)相同的命運(yùn)：每一次都有更好的替代技術(shù)。晶體管之所以能夠替代真空管，主要因?yàn)樗粫a(chǎn)生高熱量，也不需要真空。只有在真空環(huán)境下，真空管電子才能在正帶電元素和負(fù)帶電元素之間跳轉(zhuǎn)。

英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人摩爾（Gordon Moore）

新型真空管

在古老的家庭收音機(jī)和早期電腦內(nèi)都有真空管，它們很笨重，加利福尼亞研究人員開發(fā)的真空管和老真空管不同。晶體管和真空管都能控制電流，但是它們的控制方式完全不同。

研究人員用金屬制造小管子，電流會在四個更小的探頭上流動，金屬小管子能控制電流的開關(guān)；在電子顯微器下，四個探頭看起來像是四個圓珠筆筆尖，它們緊靠在一起。

今天的晶體管有一個致命弱點(diǎn)：尺寸越小，泄露的電子越多。在現(xiàn)代計算機(jī)芯片中，大約一半的電能因?yàn)榫w管電子泄露而消耗。晶體管只有幾十個原子寬。泄露的電子會浪費(fèi)電能，產(chǎn)生熱量。

與晶體管不同，在謝雷爾博士開發(fā)的微型真空管內(nèi)，開關(guān)可以像柔術(shù)一樣移動，原理和晶體管泄露差不多（物理學(xué)家管它叫量子隧穿），最終防止電流在開關(guān)時泄露。謝雷爾相信，用現(xiàn)代真空管電路制造的芯片能夠超越今天的晶體管芯片，能耗更低，速度更快。

在謝雷爾看來，當(dāng)前的晶體管要縮小，隧穿效應(yīng)是一個問題，如果采用他的方法，隧穿效應(yīng)完全可以被利用，成為下一代設(shè)備的開關(guān)。謝雷爾還指出，盡管許多人利用“隧穿效應(yīng)”來重新設(shè)計半導(dǎo)體晶體管，但是他的方法要簡單很多。

為了開發(fā)性能更強(qiáng)大、能耗更低的芯片，工程師探索了許多方法，真空管只是其中之一。還有一些方法也有希望成功，比如采用特殊材料，碳納米管、微型機(jī)械開關(guān)都可以像電子門一樣開放或者關(guān)閉。

10納米以下

幾年前，加利福尼亞理工學(xué)院的研究人員開始轉(zhuǎn)向真空管研究；在此之前，他們試圖制造超小型白熾燈泡，大小比現(xiàn)代晶體管還小，燈泡發(fā)出的光線在整個房間都能用肉眼看見。

團(tuán)隊(duì)之前還涉足過其它領(lǐng)域，比如量子點(diǎn)技術(shù)，它現(xiàn)在已經(jīng)用在電視顯示屏上，是一種納米級架構(gòu)，能夠提供更精準(zhǔn)的色彩；團(tuán)隊(duì)還研究光電技術(shù)，該技術(shù)試圖在電子電路中使用激光傳輸。后來團(tuán)隊(duì)改變了研究方向，選擇那些競爭對手更少的領(lǐng)域。

今天，半導(dǎo)體公司（比如英特爾）使用尺寸10至20納米的晶體管制造芯片。一個DNA鏈的直徑大約是2.5納米。謝雷爾預(yù)測，當(dāng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的制程縮小到10納米以下，尺寸達(dá)到原子級水平的硅在行為方式會發(fā)生改變，研究人員會大吃一驚。例發(fā)，10納米以下的硅會發(fā)光，彈性也會明顯增強(qiáng)。

“它會變成不同的材料，行為也會完全不同。”謝雷爾說。

在謝雷爾看來，未來我們需要用其它材料來生產(chǎn)芯片，需要重新使用老辦法。

硅是一種半導(dǎo)體，根據(jù)化學(xué)改性的不同，硅要么導(dǎo)電，要么絕緣，二者只能選其一。與硅不同，謝雷爾的真空管可以用多種導(dǎo)電金屬制造，比如鎢、鉬、金、鉑。按照謝雷爾的設(shè)計，制造原子級的小開關(guān)要簡單許多。

當(dāng)然，謝雷爾并不認(rèn)為微型真空管可以很快替代晶體管，由于它可以應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，波音已經(jīng)開始關(guān)注此技術(shù)，它向研發(fā)提供了資金支持。2020年之前，采用新式真空管制造的專用芯片也許就可以商用了。

“10年前，硅晶體管可以滿足我們所有的需求。”謝雷爾說，“未來10年不再是這樣了。”

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