硅芯片大限不遠：碳納米管將成下一代材料?

　　遲早有一天使用硅為材料制造日益變小的電路的極限將會(huì )到來(lái)，從而終結摩爾定律。碳納米管技術(shù)可將半導體縮小至5納米的極限。

　　北京時(shí)間2月21日消息，在未來(lái)十年左右的時(shí)間里，蝕刻在硅基電腦芯片上的電路預計就將變得小無(wú)可小，從而促使人們尋找替代品來(lái)取代硅基芯片的地位。在使用什么材料作為替代品的問(wèn)題上，有些研究者正對碳納米管寄予厚望。在本周一，斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究團隊成功地演示了一個(gè)簡(jiǎn)單的微電子電路，這個(gè)電路是由44個(gè)完全以絲狀纖維制成的晶體管所組成的。

　　這個(gè)研究團隊在舊金山展開(kāi)的一次科技會(huì )議上展示了這個(gè)電路，這一技術(shù)進(jìn)步是到目前為止最顯著(zhù)的證據，表明當如今的硅基芯片達到根本性的物理極限時(shí)，碳納米管可能會(huì )成為一種未來(lái)的材料。

　　IBM是建議將碳納米管應用于微電子領(lǐng)域中的最大支持者之一，這家公司已經(jīng)明確表示，希望碳納米管技術(shù)將在從現在算起的十年內準備就緒，屆時(shí)預計半導體將縮小至僅為5納米的極限最小尺寸。但到目前為止，各個(gè)大學(xué)和芯片廠(chǎng)商中的研究人員還只是成功地使用碳納米管制造出了單獨的器件，如晶體管等。而斯坦福大學(xué)所展示的這一技術(shù)進(jìn)步則標志著(zhù)一個(gè)完整的工作電路已被創(chuàng )造出來(lái)和公開(kāi)演示，表明這種材料可能真的會(huì )達到人們的期望。

　　硅是一種普遍存在的自然元素，既可作為導體，也可作為絕緣體。與計算機工程師原本所預計的相比，這種材料被使用的時(shí)間長(cháng)了數十年，原因是晶體管一代代日益變小，技術(shù)變得越來(lái)越完美化。在計算機芯片行業(yè)中，被用于蝕刻在電路上的這種材料已經(jīng)變得比光波長(cháng)還要細小，而且工程師和科學(xué)家們表示，硅材料還將繼續縮小，至少在當前十年階段的末期是這樣。

　　但是，遲早有一天使用硅為材料制造日益變小的電路的極限將會(huì )到來(lái)，從而終結由摩爾定律所定義的微電子時(shí)代。這個(gè)定律是由英特爾創(chuàng )始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)提出來(lái)的，其內容是當價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數量大約每隔18個(gè)月便會(huì )增加一倍，性能也將提升一倍。

　　斯坦福大學(xué)所取得的這項技術(shù)進(jìn)步看起來(lái)為一種信念提供了支持，那就是無(wú)論硅時(shí)代在何時(shí)陷入“熄火”狀態(tài)，日益縮小的工藝進(jìn)程仍將繼續下去，從而允許設計師在長(cháng)遠的未來(lái)繼續提高電腦的功率和容量。在本周于舊金山召開(kāi)的、 被業(yè)界稱(chēng)為“晶片奧林匹克”的年度國際固態(tài)電路大會(huì )(International Solid-State Circuits Conference)上，斯坦福大學(xué)的一名研究生走上一個(gè)臨時(shí)搭建的講臺，選擇了一只人手大小的木頭手，連接上一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)動(dòng)機和齒輪裝置，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，然后這只木頭手就充滿(mǎn)活力地搖擺起來(lái)。

　　這是一次很簡(jiǎn)單的演示，但斯坦福大學(xué)的研究團隊表示，他們的目標是要制造一個(gè)使用碳納米管構成的完整的微處理器，從而肯定這種材料的潛力。除了尺寸很小以外，碳納米管的其他優(yōu)點(diǎn)包括能耗遠低于如今使用的硅晶體管，開(kāi)關(guān)速度也要更快。

　　“我們的結論是，系統層面上的節電將可提高一個(gè)數量級。”斯坦福大學(xué)電子工程學(xué)副教授、Robust Systems Group負責人Subhasish Mitra說(shuō)道。他指出，這將令未來(lái)個(gè)人移動(dòng)設備的電池壽命實(shí)現有效的增長(cháng)。

　　其他新材料和硅基晶體管的變體也正處于研究過(guò)程中，以便檢測它們是否將可縮小至更小的尺寸。舉例來(lái)說(shuō)，英特爾去年開(kāi)始使用一種名為FinFET的3D晶體管，可令一個(gè)芯片的表面布滿(mǎn)更加密集的晶體管。“我不會(huì )說(shuō)沒(méi)有其他材料可以使用。”斯坦福大學(xué)電子工程學(xué)教授菲利普·王(H.-S. Philip Wong)說(shuō)道。“問(wèn)題僅在于當尺寸縮小至極其微小的程度時(shí)，哪種材料將會(huì )勝出。”

　　就碳納米管的形態(tài)而言，研究人員所面臨的挑戰是互相交織的微粒會(huì )組成一個(gè)龐大的“毛球”。不過(guò)，通過(guò)化學(xué)方式在石英表面上進(jìn)行培育的方法，研究人員能夠將其進(jìn)行密切整齊的排列，然后轉到一個(gè)硅片上，使用傳統的光刻技術(shù)來(lái)制作工作電路。雖然只有比例很小的線(xiàn)路會(huì )出現排列不整齊的現象，但想要制造可靠的電路仍舊是一直以來(lái)研究人員所面臨的技術(shù)障礙。

　　Mitra指出：“從PowerPoint幻燈片上看，99.5% 看起來(lái)都非常好;但當你所談?wù)摰氖?00億之多的微粒時(shí)，哪怕只是0.5%也是非常龐大的數字，會(huì )讓一切都變得亂七八糟。”

　　據《科學(xué)》(Science)雜志2月1日刊的一篇文章稱(chēng)，除了微電子領(lǐng)域以外，碳納米管還在許多商務(wù)領(lǐng)域中顯示出很有前途的應用前景，例如可充電電池、船體、太陽(yáng)能電池和濾水器等。