硅晶片尺寸極限將至：碳納米管或成替代品

導語：根據摩爾定律，整合電路上可容納的晶體管數目約每隔18個月便會增加一倍，硅晶片遲早有一天會因為尺寸無法繼續縮小而走向終結。哪種材料能替代硅晶片呢？斯坦福的研究團隊的最新研究成果表明，碳納米管或許會成為替代材料，該技術可將晶片縮小至5納米的極限尺寸。

以下是文章全文：

在接下來十年左右的時間裡，在電腦硅晶片上蝕刻電路預計將變得越來越艱難，因為晶片的物理尺寸難以無限變小，這促使人們尋找替代材料來取代硅晶片的地位。

哪種材料能替代硅晶片呢？部分研究者對碳納米管寄予厚望。本周一，斯坦福大學的一個研究團隊成功地演示了一個簡單的微電子電路，該電路是由44個完全以絲狀纖維製成的晶體管組成。

來自斯坦福的研究團隊在舊金山舉行的一次科技會議上展示了這個電路。他們展示的技術進步是迄今最能證明當硅晶片尺寸達到物理極限時，碳納米管可能會成為一種未來的替代材料。

在各大科技廠商中，IBM是建議將碳納米管應用於微電子領域的強力支持者之一，該公司已經明確表示希望碳納米管技術將在接下來的十年內准備就緒，屆時預計半導體晶片的尺寸將縮小至5納米的極限尺寸。但截至目前，各大學和晶片廠商的研究人員還只能成功地將碳納米管用於單獨器件的製作，如製作晶體管等。

斯坦福大學所展示的這一技術進步則標志著完整的工作電路已被創造出來，表明這種材料可能真的會達到人們的期望。

硅是一種普遍存在的自然元素，既可當做導體，也可當做緣體。硅晶片的生命周期相較計算機工程師原本的設想已經長了數十年，這是因為雖然晶體管的尺寸在一代代變小，但人們總有相應的先進工藝在上面蝕刻電路。在計算機晶片行業中，被用於蝕刻電路的硅晶片已經變得比光的波長還要細小，而且工程師和科學家們相信，硅晶片的尺寸還有繼續縮小的空間，至少目前的情況是這樣的。

但是，硅材料的物理尺寸極限終有一天會到來，從而終結由摩爾定律所定義的微電子時代。摩爾定律是由英特爾創始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)於1965年提出來的，它指出：當價格不變時，整合電路上可容納的晶體管數量大約每隔18個月便會翻一番，性能也將提升一倍。

斯坦福大學所取得的這一技術進步看起來支撐了這樣一種信念：無論硅材料時代何時終結，尺寸不斷縮小的工藝進程仍能繼續下去，設計師在長遠的未來仍能繼續提高電腦晶片的性能。[NT:PAGE=$]

在本周於舊金山舉行的的年度”國際固態電路大會“(International Solid-State Circuits Conference)上，斯坦福大學的研究生馬克思·蘇拉客(Max Shulaker)走上一個臨時搭建的講台做了簡單的演示，他選擇了一隻人手大小的木頭手，連接上一個簡單的發動機和齒輪裝置，打開開關，然后隻木頭手就充滿活力地搖擺起來。

演示雖然簡單，但該團隊表示，他們的目標是要製造一個使用碳納米管構成的完整的微處理器，以證明這種材料的潛力。除了尺寸很小以外，碳納米管相較現在的硅材料還具備低能耗和切換速度快的優點。

斯坦福大學電子工程學副教授、Robust Systems小組負責人薩布哈斯·米特拉(Subhasish Mitra)表示：“(採用該材料)系統層面的省電至少可提高一個數量級。”他指出，這為未來個人移動設備的電池續航能力提供了巨大的提升空間。

其它新材料和多種硅基晶體管升級技術也正處於研究過程中。例如，英特爾去年開始使用一種名為FinFET的3D晶體管，該晶體管可讓晶片的表面能夠容納更多的晶體管，可以使更小尺寸的矽片具備等同和更好的性能。

斯坦福大學電子工程學教授菲利普·王(H.-S. Philip Wong)稱：“我不是說沒有其它材料可以使用。問題僅在於當尺寸縮小到非常細小的程度時，哪種材料會勝出。”

研究人員所面臨的挑戰是碳納米管互相交織的微粒會組成一個龐大的“毛球”。不過，通過化學方法在石英錶面進行培育，研究人員能夠將其進行密切、整齊地排列，然后轉到一個硅晶片上，再使用傳統的光刻技術來製作工作電路。

這樣處理后，雖然只有很少一部分的線路會出現排列不整齊的現象，但想要製造可靠的電路，研究人員還一直面臨技術障礙。斯坦福大學的這個研究組表示，他們擁有完善的電路技術來解決這種線路排列不整齊的難題。

米特拉指出：“從幻燈片上看，99.5%的線路看起來都非常好；但當微粒數量達到100億級別時，0.5%也是一個非常龐大的數字，足以讓一切都變得亂七八糟。”

根據《科學》雜誌今年2月1日刊登的一篇文章，除了微電子領域外，碳納米管還在許多其它商業領域呈現出潛在應用前景，例如可充電電池、自行車車架、船體、太陽能電池和濾水器等。(朱飛)