石墨烯和其他替代材料 - 后摩爾定律時代芯片的出路

　　沿著這些線路到更高性能的表現(xiàn)，未來的路徑可能需要同時把硅鍺和其他混合物，讓電子能比硅制材料中更好的移動。擁有最好電學(xué)性能的材料是一些合金，例如銦，鎵和砷化，在元素周期表中統(tǒng)稱為 III-V 材料。

　　麻煩的是，這些材料很難和硅進(jìn)行融合。它們晶格中原子之間的間隔距離，和硅原子之間有很大的不同。所以將它們的一層增加到硅基片中，從中所有芯片的制作都會導(dǎo)致壓力，這會帶來芯片斷裂的壓力。

　?。?）石墨烯

　　最著名的替代方法是石墨烯，它是單原子厚的碳形式（二維）。石墨烯在操作電子和空穴的時候表現(xiàn)的非常好，但難點(diǎn)在于如何使它停止下來。研究人員一直試圖通過摻雜、壓碎、擠壓石墨烯，或者使用電場來改變電學(xué)的性能。現(xiàn)在已經(jīng)有了一些進(jìn)展：曼徹斯特大學(xué) 2008 年報(bào)告了一個正在工作的石墨烯晶體管；加州大學(xué) Guanxiong Liu 帶領(lǐng)的研究小組，2013 年使用了一種有“負(fù)電阻”特性的材料以制作設(shè)備。但對石墨烯真正的影響，Yeric 博士說道，是刺激對其他二維材料的興趣?！笆┦且粋€打開的盒子，”他說道：“我們現(xiàn)在正在尋找像二硫化鉬的物質(zhì)，或黑色磷、磷硼的混合物。”重要的是，所有的這些都像硅一樣，可以很容易打開和關(guān)閉。

　　如果一切都按照計(jì)劃進(jìn)行，Yeric 博士說，新型的晶體管設(shè)計(jì)和新材料，可能讓事情在 5 年或 6 年里還滴答作響，到了那個時候可能會有 5 納米的晶體管。但除此之外，“我們已經(jīng)用盡了一切方法，避開真正根本性的需求?！?br /> ?

　　6）自旋晶體管

　　對于這方面來說，他最傾向的候選對象是所謂的“自旋電子學(xué)”。電子系使用一個電子的電荷來代表信息，自旋電子學(xué)使用“旋轉(zhuǎn)”，這是電子的另一個固有屬性，并且和物體擁有的轉(zhuǎn)動能量相關(guān)聯(lián)。它很有用，旋轉(zhuǎn)有兩個變化：向上和向下，它可以用來表示 1 和 0。計(jì)算機(jī)行業(yè)對自旋電子學(xué)已經(jīng)有了一些經(jīng)驗(yàn)：例如它是硬盤里的應(yīng)用。

　　對自旋晶體管的研究已經(jīng)超過了 15 年，但是迄今為止還沒有投入生產(chǎn)。難做的是，驅(qū)動它所需的電壓是非常微小的：10-20 毫伏，相比常規(guī)的晶體管要少數(shù)百倍，這可以解決熱量的問題。但是這也帶來了設(shè)計(jì)的問題， Yeric 說道。有著這種分鐘電壓，在電子噪音中區(qū)分 1 和 0，變得非常棘手。

　　“在實(shí)驗(yàn)室里建造一個新奇的晶體管，是相對而言比較容易的事情，”分析師 Linley Gwennap 說道。?！暗且〈覀兘裉煺谧龅氖虑?，你需要在一個芯片上投入數(shù)十億美元，需要有合理的成本，以及非常高的可靠性，而且?guī)缀跻獩]有任何缺陷。我不會說著無法做到，但這是非常困難的?！边@也讓尋找其他的辦法制作更好的計(jì)算機(jī)，變得十分重要。

　　3、從現(xiàn)有晶體管尋找出路

　　嚴(yán)格的說，摩爾定律是關(guān)于越來越多數(shù)目的組件，可以被整合進(jìn)一個給定的設(shè)備中。更一般的說，計(jì)算機(jī)總是變得越來越好。隨著晶體管變得越來越難以縮小，計(jì)算公司開始考慮更好的利用已有的晶體管設(shè)備?！斑^去管理者們不希望在密集設(shè)計(jì)上投入過多，”ARM 的 Greg Yeric 說道：“我認(rèn)為這將會開始發(fā)生變化?！?/p>

　　一種方法是：讓現(xiàn)有的芯片工作強(qiáng)度更大。電腦芯片有一個主時鐘，每次它滴答的時候，里面的晶體管就會進(jìn)行開、關(guān)動作。更快的時鐘，意味著更快的執(zhí)行指令。提高時鐘速率已經(jīng)使得芯片在過去的 40 年里變得更快的主要途徑。但是，在過去的 10 年里，時鐘速率幾乎沒有變化。

　?。?）多核芯片

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　　芯片制造商通過使用額外的晶體管，壓縮以復(fù)制芯片已有的線路作為回應(yīng)。這種“多核心”芯片，把一些比較慢的處理器捆綁起來，要比單純依靠單一的快速處理器表現(xiàn)的要更好。大多數(shù)現(xiàn)代的臺式計(jì)算機(jī)是 4 到 8 核，有的甚至有 16 個核。

　　但是，正如業(yè)內(nèi)人士發(fā)現(xiàn)的，多核芯片的速度達(dá)到了限制。“大家一致認(rèn)為，如果我們繼續(xù)這樣做，如果我們的芯片有 1000 個核，那么一切都會好起來的?！蔽④浶酒O(shè)計(jì)專家 Doug Burger 說道。但是，要獲得最佳的芯片，程序員們不得不把任務(wù)人分解成小塊，讓它們可以同時工作。“事實(shí)證明，這真的很難?！盉urger 博士說。實(shí)際上，對于一些數(shù)學(xué)任務(wù)而言，這是不可能的事。

　?。?）特制芯片

　　另一種方法是專攻。使用最廣泛的芯片，例如 Intel’s Core 產(chǎn)品線，或者那些基于 ARM’s Cortex 設(shè)計(jì)的芯片（在地球上幾乎所有的手機(jī)都能找到）都是多面手，它們具有很強(qiáng)的靈活性。不過這是有代價的：它們可以做一切事情，但沒有一件事情能做的完美。調(diào)整硬件，讓它更好的適用于特別的數(shù)學(xué)任務(wù)，可以讓你在解決一般性的任務(wù)時，有著 100 到 1000 倍的提升。Intel’s Pentium 芯片的設(shè)計(jì)者 Bob Colwell 說。

　　專門特制的芯片已經(jīng)在計(jì)算行業(yè)的一些領(lǐng)域中得到使用。最著名的例子是用來提高視頻游戲視覺效果的顯卡，由Nvidia和AMD之類的公司所設(shè)計(jì)，在1990年代中期嶄露頭角。英特爾后來的奔騰芯片也有為一些任務(wù)（比如視頻解碼）設(shè)計(jì)內(nèi)置的特制邏輯。但這正也有缺點(diǎn)。

　　設(shè)計(jì)新的芯片需要數(shù)年的時間，研發(fā)成本可能高達(dá)數(shù)千萬甚至數(shù)億美元。特制芯片也比通用用途的芯片更難編程。并且，由于天性使然，它們只能提升某些任務(wù)上的性能表現(xiàn)。

　　特制邏輯更好的目標(biāo)對象——至少在一開始的時候——可能是數(shù)據(jù)中心，這些需要龐大計(jì)算力的倉庫為運(yùn)行互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器提供著動力。

　　由于數(shù)據(jù)中心處理著海量的數(shù)據(jù)，它們可能永遠(yuǎn)都需要一塊只能做一件事、但做得非常好的芯片。

　　基于這個原因，微軟——全球最大的軟件公司和云計(jì)算服務(wù)供應(yīng)商之一——正在投資芯片設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)。2014年，微軟公布了一臺名為Catapult的新設(shè)備，它使用了一種叫做現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）的特殊芯片，這種芯片的設(shè)置可以隨心所欲地進(jìn)行調(diào)整。FPGA提供了一種介于特制和靈活之間的折中，非常實(shí)用，帶領(lǐng)Catapult研發(fā)團(tuán)隊(duì)的Burger說道：“這是想要在可編程的軟件以外也有可編程的硬件”。當(dāng)一個任務(wù)結(jié)束以后，F(xiàn)PGA可以在不到1秒內(nèi)被重新調(diào)整到符合另一個任務(wù)的設(shè)置。

　　這種芯片已經(jīng)被微軟的搜索引擎Bing所使用，微軟表示，F(xiàn)PGA使服務(wù)器在給定時間里能處理的請求數(shù)量翻了一倍。除此之外，也有許多其他的潛在應(yīng)用，Peter Lee這樣說道，他是Burger在微軟的頂頭上司。當(dāng)某種特定的算法需要被反復(fù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)流上時，F(xiàn)PGA脫穎而出。一種可能性是用Catapult來加密計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)流以確保它們的安全性。另一種可能性是將它用在云端互聯(lián)手機(jī)的語音識別和圖像識別任務(wù)上。

　　這種技術(shù)不是全新的，但是直到現(xiàn)在才找到使用它的理由。全新的是“云端正在以讓人瞠目的速度增長，”Burger說道，“現(xiàn)在摩爾定律正在不斷放緩，這使得越來越難以增加足夠的計(jì)算力來與云端相匹配。所以這類后摩爾時代的項(xiàng)目開始變得有經(jīng)濟(jì)意義。”

　?。?）3D 芯片

　　撇開鰭形晶體管（finned transistors）不談，現(xiàn)代芯片都是非常扁平的。但是也有一些公司，包括IBM，正在研究將芯片互相疊加——就像一層一層疊高樓房一樣——來讓設(shè)計(jì)師們能夠在給定區(qū)域里安置更多晶體管。三星已經(jīng)在銷售用垂直堆疊的閃存制作的存儲系統(tǒng)了。去年，英特爾和Micron（一家大型內(nèi)存制造商）宣布研發(fā)出了一種名為3D Xpoint的新型內(nèi)存技術(shù)，能夠利用堆疊的內(nèi)存。

　　IBM的研究人員們則致力于研究某種稍有不同的東西：將內(nèi)存層（slices of memory）疊在處理邏輯層（slices of processing logic）之間，像三明治一樣的芯片。這將能讓工程師們把大量的計(jì)算封裝到非常小體積的芯片上，同時帶來很大的性能提升。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的主存儲器（main memory）位于距離處理器幾厘米遠(yuǎn)的地方。從硅晶的傳遞速度（silicon speeds）來說，一厘米已經(jīng)是非常長的距離了。在這樣的距離上傳遞信號也很浪費(fèi)能量。將內(nèi)存移至芯片中以后，就把這些距離從厘米級降到了微米級，使數(shù)據(jù)傳輸更快速。

　　但是3D芯片面對著2個大問題。第一個就是熱量。扁平的芯片在這方面已經(jīng)夠糟糕了，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心里有數(shù)以千計(jì)的風(fēng)扇為服務(wù)器散熱，轟鳴聲不絕于耳。增加疊加層數(shù)以后，芯片內(nèi)部——也就是熱量產(chǎn)生的地方——熱量增加速度會超過散熱速度。

　　第二個問題是如何接入電力。芯片通過其背面數(shù)以百計(jì)的金屬“針（pins）”與外界相連?，F(xiàn)代芯片對電力的需求高到多達(dá)80%的金屬針都被設(shè)置為用來傳輸電力，只剩下非常少的數(shù)量用來處理數(shù)據(jù)輸入和輸出。在3D形態(tài)下，這種局限被放得更大，因?yàn)橥瑯訑?shù)量的金屬針必須要滿足比原先復(fù)雜得多的芯片。

　　IBM希望能通過在3D芯片中置入微型內(nèi)部管道來一箭雙雕地解決這2個問題。微流控通道（microfluidic channels）可以將冷卻液運(yùn)往芯片的核心部分，一下子將內(nèi)部空間中的熱量都帶走。這家公司已經(jīng)在傳統(tǒng)的扁平芯片上測試了這種液體冷卻技術(shù)。微流控系統(tǒng)可以最終從1立方厘米的空間里帶走大約1千瓦的熱量——差不多和電加熱器上一片加熱器的輸出差不多，這個團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人Bruno Michel說道。