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晶体管的未来:超越摩尔定律

Amruta Ranade 2019-06-14

光子学、分子电子学和芯片制造工艺的突破可能会重新启动摩尔定律。本质上,晶体管的开/关是由电驱动的,晶体管的“开”代表二进制1,“关”代表二进制0。这种0和1的二进制语言是现代电子学的工作原理。芯片上的晶体管数量和通信链路的延迟决定了芯片的速度、成本、功能和功耗,从而决定了使用该芯片的电子器件的性能和价格。M3J电子头条

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1965年,英特尔的联合创始人Gordon Moore做出了明智的预测,大约每十年,晶体管的尺寸就会缩小,电子芯片上的晶体管数量会翻倍,从而降低芯片的功耗、制造成本,并提高其速度和性能。1975年,他将这一时期从十年修改为仅两年。这一著名的发现,即摩尔定律,推动了我们现代的电子革命。M3J电子头条

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差不多半个世纪之后,目前的电子芯片由数十亿个微型晶体管组成——缩小到几个分子——光刻在硅片上。我们正在接近晶体管的物理极限,进而达到摩尔定律的极限。因此,我们需要设计一种方法,在保持晶体管数量不变的情况下,进一步缩小晶体管的尺寸,或者提高芯片的性能。一些选项包括使用光子芯片代替电子芯片(即,使用光而不是电作为通信链路),使用分子电子学来制造更小、更快的晶体管,以及使用新的芯片制造工艺。M3J电子头条

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光子芯片M3J电子头条

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电子器件的速度取决于晶体管的尺寸以及通信机制。目前,晶体管使用电信号(即电子从一个地方移动到另一个地方)进行通信。使用光子代替电子,我们可以使晶体管更快,因为光子比电子快得多。从基于电的晶体管转向基于光的晶体管可能是制造速度更快的电子产品的关键。M3J电子头条

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光子技术领域已经取得了重大进展。例如,由Alberto Peruzzo博士带领的RMIT大学的研究团队展示了使用光子芯片处理量子信息,这可能有助于可伸缩量子计算机的发展。然而,光子学产业仍处于起步阶段。到目前为止,电子器件在元件尺寸和制造成本方面的性能远远优于光子器件,因此用光子学取代电子器件可能不会很快成为现实。M3J电子头条

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如果我们找到一种方法让光子芯片补充(如果不是替代)电子芯片,这将是一个不小的性能提升。例如,由Ayar Labs设计的光电芯片使用光来传输数据,但通过电子方式进行计算。这种芯片可能应用于数据中心和超级计算机,并且该初创公司预测,使用光电芯片将比纯电子芯片的能耗降低30%至50%。M3J电子头条

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有线网络连接。图片由 Unsplash提供。M3J电子头条

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分子电子学M3J电子头条

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分子电子学是纳米技术的一个分支,它使用单分子作为电子设备的构件。由于分子是最小的稳定结构,单分子器件是电子小型化的最终目标。然而,制造单体(单分子)装置并非易事。在分子电子学赢得小型化竞赛之前,需要克服几个障碍。其中一个是要求单分子器件在室温下保持稳定。这是设备拥有任何现实应用的关键。M3J电子头条

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哥伦比亚大学的研究团队成功地合成了可在室温下保持稳定的单分子器件,从而推动了分子电子学的进一步发展。使用分子电子学优势的另一种方法是使用一串分子而不是单个分子。Tokyo Institute大学的研究小组发现,聚合物(一系列单体)比单个单体具有更好的性能。这似乎是小型化问题的一个潜在解决方案。M3J电子头条

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先进的光刻技术M3J电子头条

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光刻法是一种用于生产电子芯片的制造技术。它包括投射紫外线,将一个电路图案从掩模转移到硅片上。目前的光刻制造工艺使英特尔这样的芯片制造商可以生产尺寸为14nm的晶体管。英特尔希望将先进的光刻技术与硅替代材料相结合,并对晶体管的设计进行重新构思,使晶体管的尺寸减小到5纳米。M3J电子头条

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贴装在主板上的英特尔芯片。图片由Unsplash提供。M3J电子头条

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进步M3J电子头条

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虽然这些突破在光子学、分子电子学和光刻制造工艺领域是有前途的,但我们还没有在电子小型化竞赛中看到明显的优胜者。然而,我们相信,人类将继续创新,并提出创造性的解决方案来规避摩尔定律:我们可能会发现高级算法或新材料,以便从芯片上相同数量的晶体管获得更好的性能,或者我们可能完全重新思考芯片和晶体管设计。摩尔定律的终结并不是我们技术进步的终结。实际上,这也许是一个新的开始。M3J电子头条