硅正在接近極限 芯片未來靠什么？

如果我們的電子產(chǎn)品想要變得更小更快，就需要技術上的進步。

我們生活在一個由計算機電路驅(qū)動的世界?，F(xiàn)代生活依賴于半導體芯片和硅基集成電路上的晶體管，它們可以開關電子信號。大多數(shù)晶體管使用豐富而廉價的硅元素，因為它既可以阻止也可以允許電流流動，它既是絕緣體又是半導體。

直到最近，擠壓在硅芯片上的微型晶體管每年的體積都縮小一半。它造就了現(xiàn)代數(shù)字時代，但這個時代即將結束。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機器人技術、自動駕駛汽車、5G和6G手機這些計算密集型工作的問世，科技的未來岌岌可危。那么接下來會發(fā)生什么呢?

什么是摩爾定律？

摩爾定律是計算能力的指數(shù)增長。早在1965年，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾就觀察到，一英寸計算機芯片上的晶體管數(shù)量每年翻一番，而成本則減半?，F(xiàn)在，這個時間是18個月，而且越來越長。事實上，摩爾定律不是定律，只是一個為芯片制造商工作的人的觀察結果，但增長的時間意味著未來的密集計算應用可能受到威脅。

摩爾定律已死？

沒有，但是速度太慢了，硅芯片需要幫助。英國半導體應用公司Catapult的首席執(zhí)行官Stephen Doran說：“在越來越多的需要提高速度、減少延遲和光檢測的應用中，硅正在達到其性能的極限?！比欢J為現(xiàn)在談論硅的替代物還為時過早。他補充稱：“這意味著硅將被完全取代，這在短期內(nèi)不太可能發(fā)生，很可能永遠不會發(fā)生?！?/p>

計算機的第二個時代即將到來

仔細研究硅晶體管問題非常重要；作為一個概念，它并沒有“死亡”，但是它已經(jīng)超過了它的頂峰。Rambus內(nèi)存和接口部門首席科學家Craig Hampel表示：“摩爾定律專門指的是由半導體制造的集成電路的性能，而且只記錄了過去50多年的計算?！?/p>

這場超越硅的競賽正在進行

“人類對計算需求的增長趨勢可追溯到算盤、機械計算器和真空管，并可能遠遠超出半導體（如硅），包括超導體和量子力學?！?/p>

超越硅是一個問題，因為未來的計算設備將需要更加強大和靈活。Harold說：“日益增加的計算問題是，未來的系統(tǒng)將需要學習和適應新的信息。它們必須‘像大腦一樣’。再加上芯片制造技術的轉(zhuǎn)型，它們將為計算創(chuàng)造革命性的第二個時代?！?/p>

什么是冷計算？

一些研究人員正在研究用更少的能量獲得高性能計算機的新方法。“數(shù)據(jù)中心或超級計算機的冷運行可以帶來顯著的性能、功耗和成本優(yōu)勢?！盚ampel說。

微軟的Natick項目就是一個例子，作為該項目的一部分，一個巨大的數(shù)據(jù)中心沉入了蘇格蘭奧克尼群島海岸，但這只是一小步。進一步降低溫度意味著漏電流更少，晶體管開關的閾值電壓更低。

作為Natick項目的一部分，微軟在大西洋沉入了一個數(shù)據(jù)中心。

Hampel說：“它減少了延伸摩爾定律的一些挑戰(zhàn)。”他補充說，對于這些類型的系統(tǒng)來說，自然的操作溫度是77K（-270℃）的液氮?！按髿庵泻胸S富的氮，以液態(tài)形式收集相對便宜，而且是一種有效的冷卻介質(zhì)。我們希望，在內(nèi)存性能和功耗方面，或許能再延長4~10年的時間?！?/p>

什么是化合物半導體？

下一代半導體由兩種或兩種以上的元素組成，這些元素的特性使它們比硅更快、效率更高。這是“機會”，它們已經(jīng)在使用，并將有助于創(chuàng)建5G和6G手機。

Doran說：“化合物半導體結合了元素周期表中的兩種或多種元素，例如鎵和氮，形成氮化鎵?！彼忉屨f，這些材料在速度、延遲、光檢測和發(fā)射等方面都優(yōu)于硅，這將有助于實現(xiàn)5G和自動駕駛汽車等應用。

盡管它們可能與普通硅芯片一起使用，但化合物半導體將進入5G和6G手機，本質(zhì)上使它們足夠快、足夠小，同時還具有良好的電池壽命。

Doran說：“化合物半導體的出現(xiàn)改變了游戲規(guī)則，它有潛力帶來變革，就像互聯(lián)網(wǎng)變革通訊領域一樣?！边@是因為，化合物半導體的速度可能比硅快100倍，因此可以為物聯(lián)網(wǎng)增長帶來的器件激增提供動力。

什么是量子計算？

當你可以擁有量子世界的疊加和糾纏現(xiàn)象時，誰還需要經(jīng)典計算機系統(tǒng)的開關狀態(tài)呢？IBM、谷歌、英特爾和其他公司都在競相使用量子比特（又稱“qubits”）來制造具有強大處理能力的量子計算機，其處理能力遠遠超過硅晶體管。

問題是，在實現(xiàn)量子計算的潛力之前，量子物理學家和計算機架構師要實現(xiàn)許多突破，有一個簡單的測試，量子計算界的一些人認為，在量子計算機問世之前，需要滿足他們的要求：“量子至上”。

Hampel表示：“這只是意味著，在摩爾定律的道路上，量子機器比傳統(tǒng)半導體處理器更擅長完成特定的任務?！钡侥壳盀橹梗瑢崿F(xiàn)這一目標仍然遙不可及。

英特爾在做什么？

由于英特爾是制造硅晶體管的先驅(qū)，因此英特爾在硅基量子計算研究方面投入巨資也就不足為奇了。

英特爾銷售與營銷集團副總裁兼英國區(qū)總經(jīng)理Adrian Criddle表示：“除了投資擴大需要在極低溫度下存儲的超導量子比特外，英特爾還在研究一種替代方法。替代架構基于‘自旋量子比特’，在硅片中運行?！?/p>

自旋量子比特使用微波脈沖來控制硅基器件上單個電子的自旋，英特爾最近在其最新的“世界最小的量子芯片”上使用了自旋量子比特。至關重要的是，它使用硅和現(xiàn)有的商業(yè)制造方法。

Criddle解釋說：“自旋量子比特可以克服超導方法帶來的一些挑戰(zhàn)，因為它們的物理尺寸更小，更容易微縮，而且可以在更高的溫度下工作。更重要的是，自旋量子比特處理器的設計類似于傳統(tǒng)的硅晶體管技術?！?/p>

然而，英特爾的自旋量子比特系統(tǒng)仍然只能接近絕對零度；冷計算將與量子計算機的發(fā)展密切相關。與此同時，IBM有一個50比特的處理器Q，而谷歌量子AI實驗室有72比特的Bristlecone處理器。

石墨烯和碳納米管怎么樣？

這些所謂的神奇材料有朝一日可能會取代硅。Doran說：“它們現(xiàn)有的電氣、機械和熱學特性遠遠超出了硅基器件所能達到的水平?！比欢嬲f，可能需要很多年才能準備好迎接黃金時代。

他說：“硅基器件經(jīng)過了幾十年的改進，并隨著相關制造技術的發(fā)展而發(fā)展。石墨烯和碳納米管仍處于這一旅程的起點，如果它們要在未來取代硅，實現(xiàn)這一目標所需的制造工具仍然需要開發(fā)?！?/p>

無論其他材料的前景如何，我們現(xiàn)在正處于原子時代。Harold說：“每個人都在考慮原子。我們的進展現(xiàn)在已經(jīng)到了單個原子計數(shù)的階段，甚至存儲正在尋找在原子水平上工作的方法——IBM已經(jīng)展示了在單個原子上存儲數(shù)據(jù)的可能途徑。”今天，創(chuàng)建1或0，即用來存儲數(shù)據(jù)的二進制數(shù)字，需要10萬個原子。

然而，這里有一個問題。Harold補充說：“作為存儲或傳輸信息的手段，原子本質(zhì)上不太穩(wěn)定，這意味著需要更多的邏輯來糾正錯誤?！币虼?，未來的計算機系統(tǒng)很可能是各種技術的疊加，每一種技術都是為了彌補另一種技術的缺點。

因此，沒有哪個答案可以將硅的壽命延長到下一個計算時代。化合物半導體、量子計算和冷計算都有可能在研發(fā)中發(fā)揮重要作用。計算機的未來很可能會出現(xiàn)機器的層級結構，但到目前為止，沒有人知道明天的計算機會是什么樣子。

Hampel表示：“雖然摩爾定律將會終結，但指數(shù)計算能力的長期和持久趨勢很可能不會終結。”