這項技術(shù)能讓芯片小于10納米 改變計算機的未來
時間:2016-06-07 09:26:35 來源:騰訊數(shù)碼 作者:
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[摘要]加利福尼亞理工學院試圖開發(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 70年代,硅晶體管取代真空管用在眾多消費產(chǎn)品中。硅晶體管相當于小開關(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。
在加州理工學院校園的地下室里有一個黑暗的實驗室,兩名學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,物理學家理查德·費曼(Richard Feynman)預言了微電子的崛起,他曾經(jīng)說過“在底部還有很大的空間”。1959年,費曼作出猜測,人類將可以對單個原子進行工程操作,他當時說了這句話。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)很小)的成本不再下滑。小小的晶體管困擾芯片設(shè)計者,因為芯片變小的時候也產(chǎn)生了許多不必要的熱量。
加利福尼亞理工學院納米制造集團(Nanofabrication Group)主管阿克塞爾·謝雷爾(Axel Scherer)與兩名學生馬克斯·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。在他們的實驗室里已經(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。
貝爾實驗室前電子工程師阿蘭·黃(Alan Huang)認為:“計算機技術(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90年代,當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,因為LCD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,真空管一直重復相同的命運: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,主要因為它不會產(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:尺寸越小,泄露的電子越多。在現(xiàn)代計算機芯片中,大約一半的電能因為晶體管電子泄露而消耗。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,當前的晶體管要縮小,隧穿效應是一個問題,如果采用他的方法,隧穿效應完全可以被利用,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”來重新設(shè)計半導體晶體管,但是他的方法要簡單很多。
為了開發(fā)性能更強大、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。
團隊之前還涉足過其它領(lǐng)域,比如量子點技術(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),能夠提供更精準的色彩;團隊還研究光電技術(shù),該技術(shù)試圖在電子電路中使用激光傳輸。后來團隊改變了研究方向,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。謝雷爾預測,當半導體產(chǎn)業(yè)的制程縮小到10納米以下,尺寸達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。
“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。
硅是一種半導體,根據(jù)化學改性的不同,硅要么導電,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。
當然,謝雷爾并不認為微型真空管可以很快替代晶體管,由于它可以應用在航空航天領(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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