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芯片石墨电路未来五大突破性芯片技术 光电子技术核心期待

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据请想象一下这样一个世界:各种电子设备可以自己充电,音乐播放器可以终其寿命不停地播放歌曲,电池可以自充电,芯片可以实时改变其处理能力等等。根据美国各大实验室正在研究的项目来看,所有这些事物并非没有可能,而是极有可能。

“未来五年对于电子学来说将会是一段非常令人激动的时期,”美国商业部所属国家标准与技术研究院(NIST)半导体电子学分部的主任David Seiler说。“今天很多看上去像是不着边际的幻想,明天都有可能变成司空见惯的事物。”

NST的David Seiler:今天很多不着边际的幻想很快就会变成现实。

本文将带领你去漫游一下未来的电子世界。其中的一些概念听起来很像梦幻,还有一些是期待已久但还未实现的概念,不过它们都有一个共通之处,那就是它们全都已经在实验室中进行了演示,已经有望在未来五年左右的时间内成为商用产品。

本文共分两大部分,第一部分主要讲述芯片级的发展,处理器传输数据不再使用导线连接的电路,而是使用激光,新材料的出现可能会让传统的硅材料变得一文不值。这些技术可以为大量新型的创新产品提供构建模块,而其中的一些技术甚至可能是我们今天根本无法想象的。

第二部分将会讲述关于接入、电源与控制领域的五大创新技术。

没有导线的芯片:激光连接

如果用显微镜仔细查看任何一块微处理器就会发现,其中有数百万条极细微的导线在连接每个有源元件。而在微处理器的表面之下,还有更多的导线存在。麻省理工学院微光子中心的一位研究人员Jurgen Michel希望用快闪锗(Ge)激光器完全取代这些导线,用红外线来传输数据。

Michel解释道,“当处理器的核与元件越来越多时,提供内部连接的导线就成了阻碍数据连接提速的障碍。我们使用光子而非电子,可以让连接变得更容易,更快速。”

利用光速的光子来传输数据,Ge激光器传输位和字节的速度要比通过导线传输的电子快100倍,这就意味着芯片各核心与其内存之间的关键连接不会再拖其他元件的后腿。恰如电话网络的光纤通信要比前一代的铜缆更高效一样,芯片中的激光会让计算超高速运转。

麻省理工的这套系统最妙的部分是,在每个处理器内部不再需要埋设细微的导线。而是用一系列隐秘的隧道和洞穴构成十字交叉网络来传输光脉冲;而微小的镜面和感应器则用来中转和解释数据。

这是传统的硅电子与光学元件的混合——也叫做硅光子技术,这种技术可以让计算机变得更绿色。因为激光器要比导线更省电,产生的热量也更少。

“光电子可以说是一个圣杯,”Seiler称。“它拓展了电子学,也是降低电源消耗的极好办法,因为我们不再有发热的导线了。”

2010年2月,Michel与其同事Lionel Kinerling和Jifeng Liu成功地研制并测试了一块带有Ge激光数据传输器的功能电路。

这块芯片的传输速度超过了每秒Tbit,比当今最快的导线连接芯片速度快了两个量级。

Ge激光器研发小组(从左至右):麻省理工学院教授Lionel Kimerling、Jurgen Michel以及研究员Jifeng Liu,后者现任Dartmouth大学副教授。

这块芯片是利用现有的半导体处理技术再加上一些其他附件制成的,所以Michel据此认为向激光连接芯片的过渡可能会在下一个五年中出现。如果进一步的测试取得成功的话,麻省理工学院将会批准立项,这种芯片就有可能在2015年左右进入商用阶段。

对这种芯片的需求是前所未有的。因为到了2015年,极有可能会在计算机芯片上出现64颗独立的处理内核,每个内核都可以同时工作。“如果用导线连接这些内核那肯定是死路一条,”Michel称。“而利用锗激光器来连接这些内核却存在着巨大的可能性和回报率。”

新奇的电路:忆阻器

假如你的MP3已经装满了曲子,而你觉得每次要删掉一只曲子才能下载新的曲子就像是在进行一次文化谋杀的话,那么忆阻器技术就会帮你的大忙。

这是自晶体管出现以来的一种全新的电子器件,可以说是一种比闪存更快、更耐用,也更便宜的替代品。其存储容量是闪存的两倍,可以有足够的空间储存下从伦纳德.伯恩斯坦[美国作曲家(1918-1990)——译者注]到Lady Gaga的所有乐曲。

“如果我们想要重新设计今天的计算机技术,那就应该使用忆阻器内存,”惠普实验室量子科学研究小组的高级研究员兼负责人R.Stanly Williams说。“对于未来的电子学而言,这是一种非常重要的架构。”

忆阻器,实际上就是带内存的电阻,最早是由加州大学伯克利分校的教授Leon Chua发明的,但是惠普实验室的忆阻器原型却直到2008年才进行过公开演示。

为了构建其忆阻器,惠普使用了二氧化钛和铂金的叠压;在电子显微镜下看,它们就像是一系列长长的平行山脊。而在表层下面是另一层与其成直角的相同结构,从而形成了一个类似网格的阵列。

二氧化钛和铂金的十字交叉叠压层的显微镜图像,从而产生了一行忆阻器。

Williams称,“你可以把它想象成一系列只有2到3纳米长的管子。”(1个纳米是1米的10亿分之一,粗略地讲相当于头发丝直径的万分之一)关键在于任意两条相邻的导管可以用表层下的一个电子交换器来连接,从而生成一个内存单元。通过调整导管两端的电压,科学家们便可打开或者关闭微型电子交换器,从而像传统的闪存芯片那样存储数据。

这些叫做电阻式RAM(Re RAM)的芯片大致可储存比同样面积大小的闪存芯片多两倍的数据,而其存取速度却要比闪存快上1000倍,而且其反复读写次数可达百万次以上,是闪存的10倍。Re RAM的特殊优势还在于,其读写速度相当,而闪存写数据的时间则要比读数据的时间长很多。

惠普与韩国的Hynix公司已经在联手开发可批量生产的Re RAM芯片,这些芯片可用于各种小型设备,例如音乐播放器(可存储TB字节的音乐)、视频播放器和电子书等。

此类芯片预计会在2013年的某个时候上市。

Re RAM还可取代电脑中的DRAM。由于其所具有的不挥发性质,Re RAM即便在系统关机或者断电时,其储存的内容也不会消失,这是和DRAM不同的。事实上,Williams甚至认为,ReRAM可能会开启一个所谓即时计算的时代。要知道,今天的电脑即便没有完全关机,只是进入睡眠状态,要想唤醒它访问数据也需要数秒到一分钟的时间。而配备了Re RAM的设备,无论何时开启设备皆可即时响应。

惠普实验室的R.Stanly Williams:“我们能够在10年内研制出Pb传输速率的芯片。”

Williams认为,更重要的是,忆阻器还可以在一块芯片内进行堆叠,构成忆阻器阵列,从而有可能创建3D内存元件,更好地利用芯片的内部空间。和传统的只利用表层面积的芯片不同,这些内存元件可以深植入芯片内部,在同一个物理空间内生成更多的内存空间。

“能够堆叠多少层基本上没有什么限制,”Williams补充道。“我们能够在10年内研制出Pb传输速率的芯片。”这将是一个拥有百万GB的存储空间,足可在一块指甲大小的芯片上储存全球一年内所生产的所有值得保存的高清视频。

“忆阻器的首个应用应该是内存,”NIST的Seiler说,“但它的用途要比这广泛得多。在内存之外它拥有广阔的天地。”

尽管其普及似乎还遥不可及,可能需要20年甚至更长时间,但这一技术肯定将会改写基本的电脑设计。2010年,惠普的研究人员已发现,忆阻器除了存储用途之外,还可以进行逻辑运算,这就意味着从理论上说,存储和计算两种功能可以在同一芯片上进行。

Williams说,“一块忆阻器芯片便可替代好几块电路,这将会简化计算机的设计、制造和操作。”比如说,一块忆阻器就能够完成目前的处理器缓存中构成一个静态RAM单元的6个晶体管的工作。

在Williams看来,利用忆阻器技术甚至可能创建人工神经元,可模仿人脑进行工作。但是在下一个十年或者更长一些时间之内,还不存在这种可能性。

IBM物理科学部的主任Supratik Guha称,忆阻器肯定会改写电子学的规则。但是这项技术还需要进行不断的验证。“它确实有可能做成内存元件,但是和其他任何技术一样,在它能跑之前必须先学会走,而在能走之前必须先学会爬行。”

换句话说,忆阻器技术不可能一夜之间出现。在它能够取代流行的DRAM或者闪存之前,还需要经过漫长的演进过程。

可变化的芯片:可编程的层

从速度最快的处理器到最小的内存模块,电子工业今天所使用的每块芯片差不多都是一样的:它的有源元件都只利用了芯片硅材表面上大约1%到2%厚度的浅表层。

这种情况将会在未来几年内出现改变,因为芯片厂商都在芯片的厚度方向上进行挖掘,以便制作出越来越多的元件。比如英特尔已经在把一些成品芯片粘合在一起,罗切斯特大学的研究人员已经设计并研制出了层层相叠的3D电路。

但是据IBM的Guha观察认为,这两种方法都过于复杂和昂贵了。

但如果我们能找到什么办法让电路可以按需重新排列的话,那么我们还需要把有源元件分成好几层吗?这种做法就是Tabula Spacetime技术公司所研制的ABAX芯片的设计思路。

ABAX芯片上可重编程电路层的完美设计思路。

和以往将数层的硬连线元件永久性蚀刻在硅片上无法更改的做法不同,ABAX采用了可重编程的电路,这种电路可根据需要改变自身的功能。已经研制出的ABAX产品可在转瞬之间进行电路变更,相当于一块8个不同芯片层重叠的芯片。

“我们可以把它想象成一座8层楼高的仓储超市,”Tabula总裁兼CTO Steve Tieg说。“你可以乘电梯上下各楼层,购买不同的物品。”但是和实际重叠8个不同的物理层,每层都有自己的物品排列和分类不同,Tabula的芯片实际上只有一层,但它找到了一种办法,可以按需进行重新配置和变更。

“这就好比当你还在电梯间上下时,楼层的内部已经重新安排了一遍,用不同的物品呈现出不同的布局,”Tieg补充道。“从外部看仿佛有8层楼高,但实际上却只有1层。”

为了进行功能变更,需要为该芯片的可重编程电路输入下一系列操作所需的各种任务和责任,这一过程只需80微微秒——这一速度比芯片的计算周期快1000倍。因此在芯片等待其下一个计算指令期间,便可瞬间变更电路层的布局。

毫无疑问,ABAX真可谓以少胜多。它可利用传统的半导体工艺技术制作,而其成本也与制作一块传统芯片差不多。尽管这种设计思路也只用到了芯片的浅表层,但是单这一层便相当于8块不同的芯片。按照Tieg的说法,该技术可成倍地增加电路的密度,内存和视频流量可提升3.5倍。

这种设计思路预示着一个半导体新时代的来临,在无须增加成本和额外耗电部件的情况下,单一电路层便可取代多层电路或者增加多种功能。“芯片的虚拟化运行可以在效率和灵活性方面获得极大收益,”NIST的Seiler说。“关键问题就在于如何对其编程。”

Tabula总裁兼CTO Steve Tieg:“从理论上讲,能层叠多少层是没有限制的。”

迄今为止,半导体行业的主攻方向主要是处理器、图形芯片和内存芯片,而Tabula则主要关注有特殊用途的芯片市场。这些芯片是网络时代的驮马,它们主要用于无线路由器和手机发射塔等设备。

下一步,Tabula计划针对一些主流电子设备制作芯片,比如数码相机、视频游戏机,甚至有可能是全功能计算机。该公司目前的8层设计已进入生产阶段,12层芯片的研制正在顺利进行,而20层芯片的设计已经上了绘图板。“从理论上讲,能层叠多少层是没有限制的,”Tieg称。

从煤烟颗粒到集成电路:石墨烯

在过去的45年里,几乎和钟表一样准确的是,在计算机芯片上的晶体管数量大约每两年就要翻一番,这就是和引力定律一样有效的摩尔定律。

随着芯片上的有源元件越做越小,价钱越来越便宜,要想把数量越来越多的有源元件硬塞进芯片中去会不可避免地导致复杂性和耗电量的大幅增加——因此新一代芯片的使用成本和前一代芯片相比并没有太多变化。

晶体管数量过大有可能最终会使传统的芯片设计走进死胡同。如果科学家们想把越来越多的晶体管塞进一块芯片中去,那么有源元件的尺寸就得小于14纳米(粗略地讲,14纳米仅相当于血液中2个血红蛋白分子的大小,或者一粒滑石粉末的千分之一)。

石墨烯就是按照蜂窝图案排列的碳的单原子层。

一种被称为石墨烯的物质有可能会给摩尔定律带来新的生机,因为它有可能进一步扩展硅技术的发展疆界。石墨烯就是只有一个原子厚度的碳原子按照六角形图案排列成的单原子层。在电子显微镜下,石墨烯看上去就像是铁丝网和蜂窝网的混合。

“这种结构不仅看上去很奇特,而且具有不可思议的特性,”佐治亚州理工学院纳米实验室的Waltde Heer说。“石墨烯是一种制作电子元件的奇妙材料。它不仅传输速度快,不需要太多能量,而且外形可以做的非常之小。它的性能远胜于硅,而且能做很多硅做不到的事情。它可能代表着电子学的未来。”

半导体研究人员从上世纪70年代起就已经在拿石墨烯做各种实验,但是要制作出超薄的蜂窝层来也存在着很大的困难。曼彻斯特大学的研究人员Andre Geim和Konstantin Novoselov在2004年成功制作出了石墨烯单原子层(这一成就和他们在石墨烯研究上的其他一些进展为他们赢得了2010年度的诺贝尔物理学奖),从那时起,这一领域的进展可谓神速。

今年初,deHeer的小组已经编织出了石墨烯导线——这是研制微晶片最基础的一步——其宽度约为10纳米,利用晶体的面衍生现象来放置一层纯石墨烯从而制成一块硅芯片。(面衍生是指一种晶体层以一定的规则取向关系生长于另一种晶体表面之上的现象,这一衍生层会模仿基层的结构。)

最终,电子层的结构会小到1纳米厚,电子在其中的传输速度会比在硅片中的传输速度快很多,deHeer说。“一旦成功,石墨烯就能够制成太赫兹处理器。这一速度要比今天最快的硅芯片快20倍。”

佐治亚理工学院的Waltde Heer:“一旦成功,石墨烯就能够制成太赫兹处理器。”

明年,佐治亚理工学院的这个小组希望能够完成石墨烯集成电路原型,并利用试验台探索该物质的独特性质,为研制集成电路做进一步的精炼。

与此同时,IBM的研究人员已经采用标准的半导体制作工艺生产出了用于实验的石墨烯晶体管和集成电路。IBM的Guha指出,这是将石墨烯推向工业规模使用的第一步。

“这一领域具有巨大的发展潜力,”他说。“在军事和无线技术上拥有广阔应用前景,而且存在着与硅相互集成的可能性。现在需要的是做大量的工作以说明它有能力制作放大电路,或者生产大面积的高质量石墨烯有源元件进行集成。”

尽管按照进展情况,首个石墨烯产品可能会在2013年问世,但是不能因此而预计会很快出现采用了石墨烯芯片的超高速笔记本电脑。

由于石墨烯产品价格昂贵,所以最初可能只有一些不在乎成本,只在乎计算速度和低能耗的特殊场合才会用到它。

同样的,我们今天所看到的很初步的石墨烯集成电路也因为价格昂贵只能用于军事和空间应用等特殊项目,在这些项目中,成本不是主要考虑因素。NIST的Seiler称,“这个领域的历史就是这样,初期产品成本昂贵并且稀少,然后越来越便宜,最后到处都是此类产品。”

惠普实验室的Williams补充道,“石墨烯是制作超高速芯片的一种新途径,它拥有巨大的发展潜力,十年内就有可能成为普通产品。”

印刷电路:让芯片的制作更便宜

标准的半导体工艺涉及一系列错综复杂的步骤,所有步骤都需要在一个造价昂贵的清洁空间中进行,以防止灰尘和污染物毁坏电子元件。不过施乐公司正在研发一种更便宜,也更方便的制作电子元器件的方法,就是在一块塑料薄片上印刷电路。这一工艺所需要的设备成本可能只需要数十万美元,而不是像传统的芯片制造工厂,比如英特尔最近在亚利桑那州破土兴建的芯片工厂那样需要数十亿美元之巨。

施乐公司PARC研究实验室商业部的前任主任Jennifer Ernst说,“常规的电子元器件工艺的确能实现快速、微型,但是成本高昂,”而通过直接在塑料薄片上印刷电路,PARC实验室正在让电子元器件的制作变得“缓慢、个儿大,但是便宜”。

PARC的设计是在基材上直接印刷电路,这多少有点儿像在信封上加盖邮戳。但是这需要一些特殊材料,例如银墨,不过这些设备可以在柔性的聚乙烯薄片上进行印刷而不能在较脆的硅片上印刷。实际上,这种工艺的成品可能不能再叫做芯片了。

利用多种印刷工艺,包括喷墨、压印和丝网印刷,PARC已经制作出了放大电路、电池和交换电路,而其成本却只是传统方法的一个零头。利用这种方法,该公司最近已成功地制作出了一块20位的内存和控制电路,计划在明年开始销售。与MB级别的闪存和DRAM芯片相比,其成本可大幅下降,而这只是个开始。

另一个有趣的印刷电路项目是探测感应器磁带,这是PARC实验室为美国国防部高级研究项目署(DARPA)研发的。该项目把电路印刷在柔性磁带上,而这种磁带可以贴在士兵的头盔上。再利用头盔后部的柔性胶卷电池供电,这种感应器可在战场上测量出压力(最高100psi,约合0.689Mpa)、加速度(最高1000Gs)、噪音级别(最高175分贝)和光亮度(最高400流明)。

PARC研制的柔性磁带含有可测量压力、噪音和光亮度的感应器,可供战场上的士兵使用。

士兵在穿戴这种感应器一周后,可从头盔上撕下磁带将其交给某个实验室,在这里,数据可以下载分析,这样医生就可以看出该名士兵的大脑是否有损伤。Ernst说,“这种成本不到1美元的感应器可以取代7美元一个的感应器,而其性能却一样的好。”

至于说到缺陷,印刷电路可能永远也达不到硅芯片的速度,也不太可能在指甲盖大小的面积上集成数十亿个晶体管。但是在很多需要考虑成本而无须考虑速度的场合下,它却有着广泛的用途。

预计最早在2012年初,这种印刷电路芯片就会开始在玩具和游戏中出现,还有像合成语音设备、用于控制安全气囊打开的汽车座椅感应器等也会用到此类芯片。虽然印刷电路元件和传统的硅电子元件相比速度较低,但是对于控制气囊这样的事情来说,其速度是足够快的。

这款显示器是由PARC在一块柔性塑料薄片上制作的印刷有机半导体制成的,其成本比传统显示器便宜了很多。

Ernst预计,大约在2015年,这种印刷电路就会在一些非常有趣的场合出现,例如不用时可以卷起来的柔性电子书,或者带太阳能电池纤维的衣物,这种衣物可以给音乐播放器或者手机电池充电。市场分析公司IDTechEx预测,这种柔性印刷电路设备的销售将会从2010年的10亿美元增长至2016年的450亿美元。

IBM的Guha也看到了印刷电路的美好前景。“只要在制作电子元器件时不再需要清洁车间,其成本就会大幅下降。低成本、环境稍差一些的生产环境对于很多用途来说已经够好了,这种环境下生产出的电路同样拥有可以接受的质量。”

术语

面衍生:是指一种晶体层以一定的规则取向关系生长于另一种晶体表面之上的现象,这一衍生层会模仿基层的结构。

锗:在元素周期表中处于镓和砷之间,比硅低一行,锗(Ge)主要用于光缆。

石墨烯:碳原子按照六角形排列的单原子层,石墨烯拥有多种新奇的电子学特性,例如电子在其中传输的速度要比在硅中快得多。

忆阻器:一种结合了存储和电阻的新颖的电子结构,这种设备可以简化并加速电子的执行速度。

摩尔定律:由英特尔共同创始人戈登·摩尔在上世纪60年代末所提出,该定律认为每过两年,芯片上的晶体管密度就会大致翻番,芯片的性能会更加强大。

ReRAM:电阻式RAM是利用忆阻器技术制成的,可替代闪存。


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