芯片产业面临技术挑战 - 行业观察:摩尔定律历经40载何时会失效?

　　鉴 于芯片产业面临的技术挑战，业内不时会出现悲观情绪。网络杂志Slate 2005年刊发了一篇标题为《摩尔定律终结》(The End of Moore's Law)的文章;纽约时报1997年刊文称，“令人难以置信的不断缩小的晶体管接近极限：物理规律”，在另外一篇文章中引用SanDisk首席技术官的话 预测称摩尔定律将于2014年遭遇“墙壁”;即使英特尔也表示在开发16纳米工艺时会遇到麻烦。过去数十年，摩尔本人也曾担忧如何利用1微米、0.25微 米工艺生产芯片。

　　芯片生产确实存在着基本限制。例如，量子力学描述的被称作隧道效应的现象。从芯片设计角度看，这意味着电子能够从源极跳跃到漏极，芯片将因泄露电流而不能正常工作。

　　那么摩尔定律会失效吗?摩尔在2007年接受采访时作出了肯定回答，“任何高速增长的物理量都会有上限，过去，芯片产业已经克服了许多困难，但我认为，在未来10年或15年，芯片开发将遭遇上限。”

　　摩 尔接受采访是在5年前，几乎没有人会冒险预测摩尔本人所预测的时间之后的情况。市场研究公司Moor Insights & Strategy分析师帕特里克·摩尔希德(Patrick Moorhead)说，“我认为至少10年后我们才会遇到问题。”芯片技术公司Mears Technologies创始人、总裁罗伯特·米尔斯(Robert Mears)说，“我认为摩尔定律还将在未来10年起作用。”

　　尽管如果晶体管不能继续“瘦身”，摩尔定律就会失效，芯片产业的后硅元素时代不应当被忽视。当传统硅晶体管最终不能继续发展后，芯片还可以采用其他多种元素。

　　英伟达首席科学家比尔·达利(Bill Dally)表示，“最可能的结果是，硅晶体管能继续‘瘦身’，某些技术能继续带来更高的价值。”

　　目 前，晶体管的源极、漏极和通道是用硅元素制成的，它们也可以由砷化铟、砷化镓、氮化镓和化学元素周期表上第三和第五族的其他元素制成。来自化学元素周期表 中不同的族，意味着晶体管材料有不同的属性，它们的一大特性是有更高的电子迁移率，这意味着电子迁移速度更快，晶体管速度也可以因此更高。

　　但福勒指出，这可能仅仅是一个权宜之计，“使用其他材料有一定的潜力，但很快会遭遇硅晶体管遇到的问题。采用新材料可能会使芯片性能提高2、4倍，甚至8倍”。

　　改进芯片的另一个途径是利用“纳米线”取代硅材料制成的晶体管通道。更大的挑战是使用碳纳米管的可能性，但采用碳纳米管存在许多困难：连接碳纳米管与晶体管其他部分，改进它们的半导体属性，确保碳纳米管的尺寸和构成方式恰当。

　　后 硅时代最有希望的一种晶体管材料是石墨烯。石墨烯可以卷成一个纳米管，平面的石墨烯也能用作半导体材料。石墨烯与碳纳米管相比的一个优势是，它的制造可以 集成在晶圆制造工艺中，无需此后专门组装。另一个优势是石墨烯极高的电子迁移率，如果用石墨烯连接晶体管中的源极和漏极，晶体管的开关速度可以非常高。福 勒说，“我认为石墨烯前景非常好。”

　　但使用石墨烯存在大量挑战。首先是它缺乏足够的带 隙(band gap)。石墨烯本身带隙为0，意味着它只能导电，不能用作半导体。Mears Technologies总裁罗伯特·米尔斯(Robert Mears)表示，“石墨烯有部分非常优秀的属性，但目前没有合适的带隙。石墨烯目前还不能取代硅或其他半导体材料，它是一种优良的连接介质、导体，但不 能做成很好的开关。”

　　福勒这样描述理想的晶体管：“处于闭合状态时，电流通过能力强;处于断开状态时，几乎不消耗任何电能。目前的问题是，石墨烯晶体管很难断开。”

　　使 一种材料具有合适“带隙”有多种途径，其中包括将两块分离的石墨烯组装成“纳米丝带”(nanoribbons)，采用不同的晶体管栅极。如果科研人员能 解决这些问题，石墨烯制成的晶体管可能尺寸不会更小，但速度会更快。福勒说，“我们还处于探索利用石墨烯的早期阶段，就像是1950年代探索利用硅元素那 样。”

　　另外一种更激进的技术被称作自旋电子学，信息利用电子一种被称作自旋的属性在芯片内传输信息。福勒说，“如果可以利用电子自旋属性，而非电荷存储‘1’和‘0’，就不会存在移动电荷存在的热力学极限问题。未来的芯片不会遇到与目前芯片相同的能耗限制。”

　　依靠光而非电子携带信息的硅光子学技术也可以用于未来的芯片。福勒说，“这可能是芯片间通信，甚至芯片上信息传输的一种优秀技术。目前，芯片能耗中相当大一部分都用于芯片间同步，但一些有前景的研究项目在利用硅光子学技术解决芯片同步问题。”

　　米 尔斯说，硅光子学技术的传输距离存在限制。问题是：光的波长大于芯片中连线的宽度，“尽管这曾经是我的主要研究项目之一，我并不看好采用硅光子学技术的芯 片。硅光子学技术适合远距离通信，但不适合制造逻辑门。如果要制造或非门或与非门，需要采用电子学技术，传输数据时需要将电子信息再转换为光子信息”。

　　此外，研究人员还在研究其他计算技术，例如量子计算、DNA计算、自旋波设备等，但哪种技术能笑到最后尚不得而知。