即将到来的芯片革命 - 彭博社
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在纽约州约克镇的一间昏暗实验室里,工作台上挤满了扫描隧道显微镜、原子力探针和其他各种用于使分子世界可见的工具。在IBM的(IBM)托马斯·J·沃森研究中心,法伊登·阿沃里斯和他的团队正在使用这些仪器征服纳米技术的珠穆朗玛峰:他们正在学习如何将碳的细丝逐个原子编织成工作晶体管。
阿沃里斯的目标是赶在滴答作响的时钟之前。自半个世纪前半导体行业诞生以来,计算机公司一直依赖芯片制造商来保持摩尔定律的轨道,每18个月使其设备的速度翻倍。芯片制造商通过将晶体管更紧密地打包在不断缩小的硅片上实现了这一魔法。更小的晶体管运行得更快。但芯片也变得更热,生产变得更加复杂。随着芯片特征从今天的90纳米向未来十年的20纳米或10纳米缩小,热量、成本和不稳定物理的负担可能使硅变得无用。如果行业找不到替代品,摩尔定律将会碰壁。
有效替代
这些问题已经开始产生影响。今天最快的PC芯片运行得足够热,可以煮熟一个鸡蛋。如果不加以控制,热量的增加将在十年末达到熔化金属的温度。这不仅浪费电力——今天最快处理器消耗的电力中可能有多达一半以热量的形式损失——而且还可能减慢甚至损坏芯片。由于制造过程的复杂性不断增加,单个半导体工厂的价格标签可能在十年末达到100亿美元,而今天为20亿美元。“芯片制造商必须摆脱数十亿美元的工厂,”康涅狄格州斯坦福的市场顾问Nanotech Plus LLC的首席Sam Brauer说。“这是他们的圣杯。”
在IBM、英飞凌(IFX)、NEC(NIPNY)以及一批初创公司中,取代硅的主要候选者是虚无缥缈的碳纳米管。这种微小的分子——100,000个并排排列的碳纳米管大约与人类的头发一样粗——承诺使电路比今天任何可能的电路更快、耗电更少、密度更高。而且它们可能极大简化芯片的制造方式。
尽管这种晶体管仍处于初期阶段,IBM的Avouris表示:“碳纳米管可以解决困扰非常小硅设备的大多数问题。”在实验室中,他对此声明进行了验证。他花了四年时间组装出当前的第三代碳纳米管晶体管原型,但最终,该设备能够承载高达今天硅芯片中铜线的1,000倍电流,使其效率大大提高。
纳米管本身看似简单。碳原子以超强的六角形键连接,排列成一个圆柱体,像一卷鸡网。通过改变管子原子的蜂窝几何形状,研究人员可以调节它们以抵抗或导电,这也是它们能够承载非常高电流而发热很少的原因之一。“将具有不同电气特性的纳米管混合在一起可以简化未来芯片的设计,”国际半导体技术路线图的主席Paolo A. Gargini说,该组织是一个行业规划联盟,同时也是英特尔公司(INTC)的技术战略总监。这将消除目前制造芯片所使用的许多特殊化学品和工艺。
纳米管的优点不仅仅在于电力。除了是优秀的热导体外,这些管子比钢强10倍,并且耐辐射。这一点很重要,因为随着芯片变得越来越小,它们变得更容易受到高能太阳粒子的损害。因此,早在它们取代晶体管作为芯片的大脑之前,先进微设备公司(AMD)的技术开发副总裁克雷格·桑德表示,碳纳米管很可能会作为芯片结构层的一部分被混合进来。
棘手的物理学
尽管前景广阔,纳米管在从实验室走向生产时面临巨大挑战。当前的生产技术产生了超过30种不同类型的纳米管,杜邦(DD)的纳米技术研究员蒂姆·吉尔基指出。一些公司,如休斯顿的碳纳米技术公司,正在努力改进他们的生产配方,以生产更多最理想的品种。与此同时,杜邦正在开发工具,以根据纳米管的大小和电气特性进行分类。
即使有可靠的纳米管供应,将生产规模扩大以满足庞大的全球产业也需要数年时间。IBM和英飞凌的研究人员已经制造出电气性能远超硅的纳米管晶体管。但如今最强大的处理器每个都有十亿个晶体管。科学家们不知道如何匹配今天制造方法的巨大效率,戈尔基尼说。
没有人会争辩的是,现有的硅芯片制造配方已经遇到麻烦。电路的工作方式有点像花园水管:当你让水管变窄时,你必须增加水压才能通过相同的体积。同样,芯片制造商不得不提高芯片上的电压,以便更多电流可以通过更小的电路线。同时,芯片变得“漏电”,就像一个布满小孔的水管。芯片的绝缘层中原本用于阻止电子隧穿的原子数量显然减少了。
其他问题也在浮现。随着芯片上数百万个晶体管之间曾经微不足道的差异在更小的尺寸下开始变得重要。在2003年左右的奔腾3处理器上,电路线宽达180纳米,20纳米的缺陷并不值得担心。但在今天的90纳米标准下,这样的缺陷可能会使一个晶体管变得无用。“纳米尺度物理的地狱”是比利时国际微电子中心的高级研究员雨果·德曼对芯片制造商面临的快速增加的挑战的描述。
更重要的是,棘手的物理学正在推高下一代工厂的成本。英飞凌科技在弗吉尼亚州里士满的新内存芯片工厂展示了保持竞争力所需的惊人复杂性和费用。这座占地约四个足球场大小的20亿美元设施是芯片工厂的精英俱乐部的一部分,按每英亩计算,排名为有史以来最昂贵的工厂之一。
在这个像机库一样的工厂内部,机器制造机器。数周未被人手触碰的在制芯片经过数百个工序,通过一个小型机器人单轨列车在数十个百万美元的机器之间移动。在经过两到三个月的处理后,这些芯片将在工厂内行驶数英里,最终以商品RAM芯片的形式出现,准备好用于您的下一台桌面电脑。
尽管这个过程繁琐,但很难被取代。归根结底,芯片的质量很高。而且有办法解决热量问题,比如设计更好的“架构”——晶体管在芯片上的组织方式。AMD、IBM、英特尔等公司正在探索将芯片上的处理器数量从一个增加到两个,最终增加到四个或更多的“多核”处理器。
无论基于纳米管的芯片是距离我们10年还是20年,专家们一致认为这一过渡将是渐进的。他们首先预计会看到混合硅-纳米管设计——这种方法适合行业巨头。凭借在硅领域50年的经验、数十亿的研发投资以及无数更多投入到基于硅的工厂流程中,芯片制造商更倾向于对当前模型进行增强,而不是颠覆性的替代品。“这种转变必须是渐进的,”半导体行业协会主席乔治·M·斯卡利斯说。
硅-碳混合物是这一趋势的一部分。位于马萨诸塞州沃本的初创公司Nantero Inc.正在与LSI Logic Corp.(LSI)合作,利用现有的硅工艺制造纳米管RAM。Nantero首席执行官格雷格·施梅尔格尔表示,基于纳米管的内存与目前计算机中使用的RAM一样快速且密集,但可以在没有电力的情况下保持数据,类似于用于数码相机的更昂贵的闪存。“想象一下,瞬间启动你的PC,或者用更快的RAM替换你的硬盘,”施梅尔格尔说。
Nantero希望实现重大性能飞跃,但其他人对此持怀疑态度,指出即使在现有芯片技术中,完善小的进步也可能需要10年。因此,对于下一个重大飞跃,行业正在进行长时间的准备。
亚当·阿斯顿在纽约报道