为了不让摩尔定律失效,我们该如何设计下一代芯片?

苑伶 · 2014-01-13
1965年,Intel创始人Gordon E. Moore提出“摩尔定律”,即“集成电路上可容纳的晶体管数目大约每隔18个月便会增加一倍,性能也增加一倍”,换言之相同性能的计算机等产品每隔18个月价格会降一半,而49年来这一定律也一直维持有效,主导着IT行业的计算机产品性能的发展规律。 但当49年过去,开始有科学家提出摩尔定律即将失效——因为要使摩尔定律继续有效要求复杂的制造工艺,该工艺高昂的成本超过了由此带来的成本节约,在更高的速度、更低的能耗和更低的成本三个因素中,芯片厂商只可选择其二。虽然制造工艺未来还有提升空间,但也将在 15 年后达到极限。

1965年,Intel创始人Gordon E. Moore提出“摩尔定律”,即“集成电路上可容纳的晶体管数目大约每隔18个月便会增加一倍,性能也增加一倍”,换言之相同性能的计算机等产品每隔18个月价格会降一半,而49年来这一定律也一直维持有效,主导着IT行业的计算机产品性能的发展规律。

但当49年过去,开始有科学家提出摩尔定律即将失效——因为要使摩尔定律继续有效要求复杂的制造工艺,该工艺高昂的成本超过了由此带来的成本节约,在更高的速度、更低的能耗和更低的成本三个因素中,芯片厂商只可选择其二。虽然制造工艺未来还有提升空间,但也将在 15 年后达到极限。

如果这一失效预测成真,整个IT产业都受到深远的影响,毕竟能将几十亿的晶体管集成到指甲大小的芯片上,并且只需区区几美元的价格,正是个人计算机、音乐播放器和智能手机得以蓬勃发展且不断更新换代的根源。(关于这一点可以看看“反摩尔定律”)

不过,乐观的科学家和工程师们会告诉你:摩尔定律并未死亡,它只是正在进化。他们认为使用一种新型的纳米材料可以使集成电路的大小与单分子大小相当,因此使摩尔定律继续生效。

那么这种新型的纳米材料会是什么样子的呢?一些半导体设计者正试图通过化学方法来使原始材料自行遵循一种半导体芯片上导线排列的模式,从而制造出一种可自行组装(self assemble)的集成电路。科学家们相信将此种模式和纳米线、传统的芯片制造工艺结合在一起,将产生新一代的计算机芯片,使未来芯片的制造成本仍可以按摩尔定律所述的规律保持下降。

“这其中的关键点正在于‘自行组装’(self assembly),”IBM Almaden研究中心的科学技术主管Chandrasekhar Narayan如是说,“现在我们得学会利用自然规律来为我们工作了,强行的外力干涉不再行得通,我们应当让事物本身来决定自身的演进。”

如果一切如Chandrasekhar所说,那么半导体制造工业就将从“硅材料”转而走向新式的“计算材料”,而硅谷的研究人员们正用超级计算机来尝试达成他们的设想。当这块土地不再生产半导体芯片转而生产新型的材料时,或许它将拥有了主导计算世界下一个十年的能力。

正如最近在研发一种于室温环境下也能拥有超导体性能的锡合金的斯坦福大学物理学家Shoucheng Zhang说道,“材料对我们人类社会来说尤为重要,人类社会的每一个纪元都是以材料的名称来命名的,好比我们有过石器时代、铁器时代,而我们正在经历的则是硅时代。但是在过去,这些新材料的发现全部都是偶然的、不可知的,可一旦我们拥有了预知新材料的能力,变革的发生就在眼前。”

至于什么是推进这些研究进展的根本原因?或许经济利益是其中很重要的因素之一,因为要使摩尔定律继续有效所需要的下一代工厂建设费用已经让半导体制造商们大跌眼镜了——根据Gartner的一份报告显示,两年以后制造微处理器芯片的新型工厂建设费用将达到80亿至100亿美元,几乎是现有费用的两倍不止。而这一费用在未来十年间还很可能增长到150亿至200亿美元之间,相当于一个小国家的GDP。这一规律在芯片制造工业中被称为“第二摩尔定律”(Moore’s Second Law)。

因此与其在昂贵的传统技术上加大投入,并且这种技术不知何时就会被淘汰,研究者们更愿意将未来的赌注押在新型材料上。

去年十二月,一份科学研究论文描述了一种新式的“有机金属结构”材料(metal-organic frameworks,MOFs),这是一种金属离子和有机分子形成的晶体,并且已被模拟运行在高性能计算机上,实验证明它可以有效运转,被运用到太阳能光伏、传感器或者电子材料当中。

Sandia的化学家Mark D. Allendorf说,利用传统的半导体我们几乎无法改变材料的性能,但是未来我们却可以通过MOFs来实现这一点,因为MOFs当中的分子可以被用于精确地生成具有某种性能的材料。

还有一种可被称作新材料典范的材料是“topological insulators”(拓扑绝缘体),这种材料的表面或者边缘具有高传导性,但其内部却是完全绝缘的。而这些材料的一大优势是它们可以很容易地被整合到如今的芯片制造流程中,以提高生产速度同时降低下一代半导体生产的能耗。

不过,研究人员称这些理论上的预测仍待检验。通过计算材料形成的变革来找到下一代计算机芯片的廉价生产技术通路,是目前所有人的期盼与赌注。

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