為了不讓摩爾定律失效,我們該如何設計下一代芯片?




為了不讓摩爾定律失效,我們該如何設計下一代芯片?

1965年,Intel創始人Gordon E. Moore提出“ 摩爾定律 ”,即“集成電路上可容納的晶體管數目大約每隔18個月便會增加一倍,性能也增加一倍”,換言之相同性能的計算機等產品每隔18個月價格會降一半,而49年來這一定律也一直維持有效,主導著IT行業的計算機產品性能的發展規律。

但當49年過去,開始有科學家提出摩爾定律即將失效 ——因為要使摩爾定律繼續有效要求復雜的製造工藝,該工藝高昂的成本超過了由此帶來的成本節約,在更高的速度、更低的能耗和更低的成本三個因素中,芯片廠商只可選擇其二。雖然製造工藝未來還有提升空間,但也將在15年後達到極限。

如果這一失效預測成真,整個IT產業都受到深遠的影響,畢竟能將幾十億的晶體管集成到指甲大小的芯片上,並且只需區區幾美元的價格,正是個人計算機、音樂播放器和智能手機得以蓬勃發展且不斷更新換代的根源。(關於這一點可以看看“ 反摩爾定律 ”)

不過,樂觀的科學家和工程師們會告訴你:摩爾定律並未死亡,它只是正在進化。他們認為使用一種新型的納米材料可以使集成電路的大小與單分子大小相當,因此使摩爾定律繼續生效。

那麼這種新型的納米材料會是什麼樣子的呢?一些半導體設計者正試圖通過化學方法來使原始材料自行遵循一種半導體芯片上導線排列的模式,從而製造出一種可自行組裝(self assemble)的集成電路。科學家們相信將此種模式和納米線、傳統的芯片製造工藝結合在一起,將產生新一代的計算機芯片,使未來芯片的製造成本仍可以按摩爾定律所述的規律保持下降。

“這其中的關鍵點正在於'自行組裝'(self assembly),”IBM Almaden 研究中心的科學技術主管Chandrasekhar Narayan 如是說,“現在我們得學會利用自然規律來為我們工作了,強行的外力干涉不再行得通,我們應當讓事物本身來決定自身的演進。”

如果一切如Chandrasekhar 所說,那麼半導體製造工業就將從“矽材料”轉而走向新式的“計算材料”,而矽谷的研究人員們正用超級計算機來嘗試達成他們的設想。當這塊土地不再生產半導體芯片轉而生產新型的材料時,或許它將擁有了主導計算世界下一個十年的能力。

正如最近在研發一種於室溫環境下也能擁有超導體性能的錫合金的斯坦福大學物理學家Shoucheng Zhang 說道,“材料對我們人類社會來說尤為重要,人類社會的每一個紀元都是以材料的名稱來命名的,好比我們有過石器時代、鐵器時代,而我們正在經歷的則是矽時代。但是在過去,這些新材料的發現全部都是偶然的、不可知的,可一旦我們擁有了預知新材料的能力,變革的發生就在眼前。”

至於什麼是推進這些研究進展的根本原因?或許經濟利益是其中很重要的因素之一,因為要使摩爾定律繼續有效所需要的下一代工廠建設費用已經讓半導體製造商們大跌眼鏡了——根據Gartner 的一份報告顯示,兩年以後製造微處理器芯片的新型工廠建設費用將達到80 億至100 億美元,幾乎是現有費用的兩倍不止。而這一費用 在未來十年間還很可能增長到150 億至200 億美元之間,相當於一個小國家的GDP。這一規律在芯片製造工業中被稱為“第二摩爾定律”(Moore's Second Law)。

因此與其在昂貴的傳統技術上加大投入,並且這種技術不知何時就會被淘汰,研究者們更願意將未來的賭注押在新型材料上。

去年十二月,一份科學研究論文描述了一種新式的“有機金屬結構”材料(metal-organic frameworks,MOFs),這是一種金屬離子和有機分子形成的晶體,並且已被模擬運行在高性能計算機上,實驗證明它可以有效運轉,被運用到太陽能光伏、傳感器或者電子材料當中。

Sandia 的化學家Mark D. Allendorf 說,利用傳統的半導體我們幾乎無法改變材料的性能,但是未來我們卻可以通過MOFs 來實現這一點,因為MOFs 當中的分子可以被用於精確地生成具有某種性能的材料。

還有一種可被稱作新材料典範的材料是“topological insulators”(拓撲絕緣體),這種材料的表面或者邊緣具有高傳導性,但其內部卻是完全絕緣的。而這些材料的一大優勢是它們可以很容易地被整合到如今的芯片製造流程中,以提高生產速度同時降低下一代半導體生產的能耗。

不過,研究人員稱這些理論上的預測仍待檢驗。通過計算材料形成的變革來找到下一代計算機芯片的廉價生產技術通路,是目前所有人的期盼與賭注。

來源:36氪

來源:nytimes.com

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