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

時(shí)間：2016-06-07 09:26:35 來(lái)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(kāi)發(fā)超小型真空管，用來(lái)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(wàn)分之一。

計(jì)算的未來(lái)在哪里？也許在過(guò)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(kāi)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(lái)越大，真空管可能會(huì)再次回歸。

在加州理工學(xué)院校園的地下室里有一個(gè)黑暗的實(shí)驗(yàn)室，兩名學(xué)生的眼光穿過(guò)塑料真空室的厚壁，注視著他們的寶貝——下一代計(jì)算機(jī)芯片，它用類似真空管一樣的電路制造，每個(gè)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(gè)術(shù)語(yǔ)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(lái)。問(wèn)題在于，現(xiàn)在的電子電路跟病毒一樣小，繼續(xù)縮小越來(lái)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(shuō)過(guò)“在底部還有很大的空間”。1959年，費(fèi)曼作出猜測(cè)，人類將可以對(duì)單個(gè)原子進(jìn)行工程操作，他當(dāng)時(shí)說(shuō)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(jiàn)的未來(lái)，硅片上可以植入的晶體管數(shù)量每隔一段時(shí)間就會(huì)翻倍。

然而，越來(lái)越多的證據(jù)顯示，提升的代價(jià)相當(dāng)昂貴。制程緩慢縮小，兩代新芯片之間的時(shí)間周期越來(lái)越長(zhǎng)，單個(gè)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(jì)者，因?yàn)樾酒冃〉臅r(shí)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(kāi)發(fā)超小型真空管，用來(lái)替晶體管。在他們的實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)開(kāi)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(wàn)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(jì)算機(jī)技術(shù)可能是按周期發(fā)展的，上一代開(kāi)發(fā)的某些算法有時(shí)會(huì)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(shí)真空管有希望用來(lái)制造平板顯示器。但是最終技術(shù)并沒(méi)有騰飛，因?yàn)長(zhǎng)CD更便宜、效率更高。

謝雷爾笑著說(shuō)：“真空管大約每隔10年回歸一次。”

幾十年來(lái)，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?huì)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(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(kāi)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(huì)在四個(gè)更小的探頭上流動(dòng)，金屬小管子能控制電流的開(kāi)關(guān)；在電子顯微器下，四個(gè)探頭看起來(lái)像是四個(gè)圓珠筆筆尖，它們緊靠在一起。

今天的晶體管有一個(gè)致命弱點(diǎn)：尺寸越小，泄露的電子越多。在現(xiàn)代計(jì)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(gè)原子寬。泄露的電子會(huì)浪費(fèi)電能，產(chǎn)生熱量。

與晶體管不同，在謝雷爾博士開(kāi)發(fā)的微型真空管內(nèi)，開(kāi)關(guān)可以像柔術(shù)一樣移動(dòng)，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(kāi)關(guān)時(shí)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(lái)，當(dāng)前的晶體管要縮小，隧穿效應(yīng)是一個(gè)問(wèn)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(kāi)關(guān)。謝雷爾還指出，盡管許多人利用“隧穿效應(yīng)”來(lái)重新設(shè)計(jì)半導(dǎo)體晶體管，但是他的方法要簡(jiǎn)單很多。

為了開(kāi)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(kāi)關(guān)都可以像電子門一樣開(kāi)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(kāi)始轉(zhuǎn)向真空管研究；在此之前，他們?cè)噲D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(gè)房間都能用肉眼看見(jiàn)。

團(tuán)隊(duì)之前還涉足過(guò)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(jí)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(lái)團(tuán)隊(duì)改變了研究方向，選擇那些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(gè)DNA鏈的直徑大約是2.5納米。謝雷爾預(yù)測(cè)，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(jí)水平的硅在行為方式會(huì)發(fā)生改變，研究人員會(huì)大吃一驚。例發(fā)，10納米以下的硅會(huì)發(fā)光，彈性也會(huì)明顯增強(qiáng)。

“它會(huì)變成不同的材料，行為也會(huì)完全不同。”謝雷爾說(shuō)。

在謝雷爾看來(lái)，未來(lái)我們需要用其它材料來(lái)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(jì)，制造原子級(jí)的小開(kāi)關(guān)要簡(jiǎn)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(kāi)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(shuō)，“未來(lái)10年不再是這樣了。”

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晶體管真空管 scaling

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