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这项技术能让芯片小于10纳米改变计算机的未来

时间：2016-06-07 09:26:35 来源：腾讯数码作者：智能界大百科

[摘要]加利福尼亚理工学院试图开发超小型真空管，用来替晶体管。和100多岁的老技术相比，新真空管尺寸只有之前的一百万分之一。

计算的未来在哪里？也许在过去。20世纪 70年代，硅晶体管取代真空管用在众多消费产品中。硅晶体管相当于小开关，用现代微电子技术制造。现在，为了让晶体管尺寸进一步缩小，技术挑战越来越大，真空管可能会再次回归。

在加州理工学院校园的地下室里有一个黑暗的实验室，两名学生的眼光穿过塑料真空室的厚壁，注视着他们的宝贝——下一代计算机芯片，它用类似真空管一样的电路制造，每个真空管的尺寸大约只有红细胞的千分之一。

让芯片更小

电子工程师有一个术语叫作“scaling”，也就是持续缩小电子电路的尺寸，它关系到我们的未来。问题在于，现在的电子电路跟病毒一样小，继续缩小越来越困难。

50多年前，物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）预言了微电子的崛起，他曾经说过“在底部还有很大的空间”。1959年，费曼作出猜测，人类将可以对单个原子进行工程操作，他当时说了这句话。几年之后，英特尔联合创始人摩尔（Gordon Moore）指出，在可预见的未来，硅片上可以植入的晶体管数量每隔一段时间就会翻倍。

然而，越来越多的证据显示，提升的代价相当昂贵。制程缓慢缩小，两代新芯片之间的时间周期越来越长，单个晶体管（虽然已经很小）的成本不再下滑。小小的晶体管困扰芯片设计者，因为芯片变小的时候也产生了许多不必要的热量。

加利福尼亚理工学院纳米制造集团（Nanofabrication Group）主管阿克塞尔·谢雷尔（Axel Scherer）与两名学生马克斯·琼斯（Max Jones）、丹尼尔·卢金（Daniil Lukin）合作，试图开发超小型真空管，用来替晶体管。在他们的实验室里已经开发出电路，功能和真空管差不多，但是和100多岁的老技术相比，新真空管尺寸只有之前的一百万分之一。

贝尔实验室前电子工程师阿兰·黄（Alan Huang）认为：“计算机技术可能是按周期发展的，上一代开发的某些算法有时会用在下一代产品中。”

上一次研发人员研究真空管还是在20世纪90年代，当时真空管有希望用来制造平板显示器。但是最终技术并没有腾飞，因为LCD更便宜、效率更高。

谢雷尔笑着说：“真空管大约每隔10年回归一次。”

几十年来，真空管一直重复相同的命运：每一次都有更好的替代技术。晶体管之所以能够替代真空管，主要因为它不会产生高热量，也不需要真空。只有在真空环境下，真空管电子才能在正带电元素和负带电元素之间跳转。

英特尔联合创始人摩尔（Gordon Moore）

新型真空管

在古老的家庭收音机和早期电脑内都有真空管，它们很笨重，加利福尼亚研究人员开发的真空管和老真空管不同。晶体管和真空管都能控制电流，但是它们的控制方式完全不同。

研究人员用金属制造小管子，电流会在四个更小的探头上流动，金属小管子能控制电流的开关；在电子显微器下，四个探头看起来像是四个圆珠笔笔尖，它们紧靠在一起。

今天的晶体管有一个致命弱点：尺寸越小，泄露的电子越多。在现代计算机芯片中，大约一半的电能因为晶体管电子泄露而消耗。晶体管只有几十个原子宽。泄露的电子会浪费电能，产生热量。

与晶体管不同，在谢雷尔博士开发的微型真空管内，开关可以像柔术一样移动，原理和晶体管泄露差不多（物理学家管它叫量子隧穿），最终防止电流在开关时泄露。谢雷尔相信，用现代真空管电路制造的芯片能够超越今天的晶体管芯片，能耗更低，速度更快。

在谢雷尔看来，当前的晶体管要缩小，隧穿效应是一个问题，如果采用他的方法，隧穿效应完全可以被利用，成为下一代设备的开关。谢雷尔还指出，尽管许多人利用“隧穿效应”来重新设计半导体晶体管，但是他的方法要简单很多。

为了开发性能更强大、能耗更低的芯片，工程师探索了许多方法，真空管只是其中之一。还有一些方法也有希望成功，比如采用特殊材料，碳纳米管、微型机械开关都可以像电子门一样开放或者关闭。

10纳米以下

几年前，加利福尼亚理工学院的研究人员开始转向真空管研究；在此之前，他们试图制造超小型白炽灯泡，大小比现代晶体管还小，灯泡发出的光线在整个房间都能用肉眼看见。

团队之前还涉足过其它领域，比如量子点技术，它现在已经用在电视显示屏上，是一种纳米级架构，能够提供更精准的色彩；团队还研究光电技术，该技术试图在电子电路中使用激光传输。后来团队改变了研究方向，选择那些竞争对手更少的领域。

今天，半导体公司（比如英特尔）使用尺寸10至20纳米的晶体管制造芯片。一个DNA链的直径大约是2.5纳米。谢雷尔预测，当半导体产业的制程缩小到10纳米以下，尺寸达到原子级水平的硅在行为方式会发生改变，研究人员会大吃一惊。例发，10纳米以下的硅会发光，弹性也会明显增强。

“它会变成不同的材料，行为也会完全不同。”谢雷尔说。

在谢雷尔看来，未来我们需要用其它材料来生产芯片，需要重新使用老办法。

硅是一种半导体，根据化学改性的不同，硅要么导电，要么绝缘，二者只能选其一。与硅不同，谢雷尔的真空管可以用多种导电金属制造，比如钨、钼、金、铂。按照谢雷尔的设计，制造原子级的小开关要简单许多。

当然，谢雷尔并不认为微型真空管可以很快替代晶体管，由于它可以应用在航空航天领域，波音已经开始关注此技术，它向研发提供了资金支持。2020年之前，采用新式真空管制造的专用芯片也许就可以商用了。

“10年前，硅晶体管可以满足我们所有的需求。”谢雷尔说，“未来10年不再是这样了。”

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