硅芯片极限终结：怎样的替代品？

   根据摩尔定律，集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍，硅芯片迟早有一天会因为尺寸无法继续缩小而走向终结。哪种材料能替代硅芯片呢？斯坦福的研究团队的最新研究成果表明，碳纳米管或许会成为替代材料，该技术可将芯片缩小至5纳米的极限尺寸。

　　以下是文章全文：

　　在接下来十年左右的时间里，在电脑硅芯片上蚀刻电路预计将变得越来越艰难，因为芯片的物理尺寸难以无限变小，这促使人们寻找替代材料来取代硅芯片的地位。

　　哪种材料能替代硅芯片呢？部分研究者对碳纳米管寄予厚望。本周一，斯坦福大学的一个研究团队成功地演示了一个简单的微电子电路，该电路是由44个完全以丝状纤维制成的晶体管组成。

　　来自斯坦福的研究团队在旧金山举行的一次科技会议上展示了这个电路。他们展示的技术进步是迄今最能证明当硅芯片尺寸达到物理极限时，碳纳米管可能会成为一种未来的替代材料。

　　在各大科技厂商中，IBM是建议将碳纳米管应用于微电子领域的强力支持者之一，该公司已经明确表示希望碳纳米管技术将在接下来的十年内准备就绪，届时预计半导体芯片的尺寸将缩小至5纳米的极限尺寸。但截至目前，各大学和芯片厂商的研究人员还只能成功地将碳纳米管用于单独器件的制作，如制作晶体管等。

　　斯坦福大学所展示的这一技术进步则标志着完整的工作电路已被创造出来，表明这种材料可能真的会达到人们的期望。

　　硅是一种普遍存在的自然元素，既可当做导体，也可当做绝缘体。硅芯片的生命周期相较计算机工程师原本的设想已经长了数十年，这是因为虽然晶体管的尺寸在一代代变小，但人们总有相应的先进工艺在上面蚀刻电路。在计算机芯片行业中，被用于蚀刻电路的硅芯片已经变得比光的波长还要细小，而且工程师和科学家们相信，硅芯片的尺寸还有继续缩小的空间，至少目前的情况是这样的。

　　但是，硅材料的物理尺寸极限终有一天会到来，从而终结由摩尔定律所定义的微电子时代。摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)于1965年提出来的，它指出：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数量大约每隔18个月便会翻一番，性能也将提升一倍。

　　斯坦福大学所取得的这一技术进步看起来支撑了这样一种信念：无论硅材料时代何时终结，尺寸不断缩小的工艺进程仍能继续下去，设计师在长远的未来仍能继续提高电脑芯片的性能。[page]

 

    在本周于旧金山举行的的年度”国际固态电路大会“(International Solid-State Circuits Conference)上，斯坦福大学的研究生马克思·苏拉客(Max Shulaker)走上一个临时搭建的讲台做了简单的演示，他选择了一只人手大小的木头手，连接上一个简单的发动机和齿轮装置，打开开关，然后这只木头手就充满活力地摇摆起来。

　　演示虽然简单，但该团队表示，他们的目标是要制造一个使用碳纳米管构成的完整的微处理器，以证明这种材料的潜力。除了尺寸很小以外，碳纳米管相较现在的硅材料还具备低能耗和切换速度快的优点。

　　斯坦福大学电子工程学副教授、Robust Systems小组负责人萨布哈斯·米特拉(Subhasish Mitra)表示：“(采用该材料)系统层面的省电至少可提高一个数量级。”他指出，这为未来个人移动设备的电池续航能力提供了巨大的提升空间。

　　其它新材料和多种硅基晶体管升级技术也正处于研究过程中。例如，英特尔去年开始使用一种名为FinFET的3D晶体管，该晶体管可让芯片的表面能够容纳更多的晶体管，可以使更小尺寸的硅片具备等同和更好的性能。

　　斯坦福大学电子工程学教授菲利普·王(H.-S. Philip Wong)称：“我不是说没有其它材料可以使用。问题仅在于当尺寸缩小到非常细小的程度时，哪种材料会胜出。”

　　研究人员所面临的挑战是碳纳米管互相交织的微粒会组成一个庞大的“毛球”。不过，通过化学方法在石英表面进行培育，研究人员能够将其进行密切、整齐地排列，然后转到一个硅晶片上，再使用传统的光刻技术来制作工作电路。

　　这样处理后，虽然只有很少一部分的线路会出现排列不整齐的现象，但想要制造可靠的电路，研究人员还一直面临技术障碍。斯坦福大学的这个研究组表示，他们拥有完善的电路技术来解决这种线路排列不整齐的难题。

　　米特拉指出：“从幻灯片上看，99.5%的线路看起来都非常好；但当微粒数量达到100亿级别时，0.5%也是一个非常庞大的数字，足以让一切都变得乱七八糟。”

　　根据《科学》杂志今年2月1日刊登的一篇文章，除了微电子领域外，碳纳米管还在许多其它商业领域呈现出潜在应用前景，例如可充电电池、自行车车架、船体、太阳能电池和滤水器等。