互动科普

1975年，电子技术先驱者之一戈登·摩尔（Gordon Moore）预言，集成电路单位面积上可容纳的晶体管数目每两年（后被修正为18个月）将翻一番，这就是著名的摩尔定律 （Moore’s Law）。随着技术进步，芯片上晶体管的尺寸越来越小，电信号在处理信息时需要穿越的距离也越来越短。对于电子行业及消费者来说，摩尔定律意味着电脑相关器件将向着更小、更快、更便宜的方向前进。由于半导体设计和制造技术不断革新，35年来，芯片业的发展印证了摩尔的预言。

不过，工程师明白，他们迟早会撞上一堵墙。当晶体管的尺寸小到只有几十个原子厚的时候，物理学基本定律将成为不可逾越的极限。其实，在撞上这堵墙之前，两个实际问题已经让研究人员焦头烂额了：首先，在如此之小的芯片上密集地放置晶体管，还要保持高良品率，这使成本变得非常昂贵；其次，由于排列紧密，晶体管不停地通断产生的热量会急剧增加，导致它们很快坏掉。

事实上，这些障碍几年前就已出现。目前大多数个人电脑上都装有厂商们大肆叫卖的“双核”处理器，即芯片中有两个较小的处理器而不是只有一个，主要原因就在于，把足够多的晶体管塞进单块芯片中并使它冷却实在是太困难了。于是，设计人员转而把两块或更多芯片并排放在一起，并通过适当设置使它们可以并行处理信息。

看上去，摩尔定律快要寿终正寝了。工程师应该如何继续提升芯片的处理能力呢？采用新的架构，或者改进纳米材料，使原子可以一个一个地进行组装，是工程师面前的两条路。还有一种方案则是完善新的信息处理方法，包括量子计算和生物计算等。我们将介绍一系列已经崭露头角的研究进展，其中某些项目目前正处于样品研发阶段。在今后20年里，这些研究会延续计算装置的辉煌历史，并推动芯片沿着“更小、更快、更便宜”的方向不断前进。

目前的市售产品中，最小的晶体管仅32纳米宽，相当于96个硅原子排成一行。业界承认，虽然光刻技术几十年来一直在不断改进，但要制造出线宽小于22纳米的芯片是极其困难的。

一种名为交叉式交换矩阵（crossbar，也称纵横式交换矩阵）的设计方案可以使处理器在同等尺度下拥有更强大的计算能力。交叉式设计不是把所有晶体管都集成在一个平面上（就像将硅高速路挤得水泄不通的一辆辆汽车），而是让一个平面中的一组平行纳米导线从另一个平面上的平行纳米导线上跨过，两组导线互相垂直（就像两条互相垂直的高速路）。两个平面间插入厚度为一个分子的缓冲层。这两组导线形成许多交叉点，交叉点上可以制作出起开关作用的元件，称为忆阻器（memristor），就像晶体管那样代表二进制中的1和0。但忆阻器也可以存储信息。这些功能合起来可以完成一系列计算任务。实际上一个忆阻器就能够承担10到15个晶体管所做的工作（参见《环球科学》2006年第7期《交叉结构 纳米计算机新方向》）。

惠普实验室已研制出了交叉式交换矩阵芯片原型，导线材料为钛和铂，宽30纳米。该实验室采用的材料及工艺，与半导体行业已在使用并优化了多年的材料和工艺相仿。惠普研究人员认为，导线宽度有望缩小到仅8纳米。还有几个研究团队在研制用硅、钛和硫化银制作同类产品。

由于集成在一块芯片上的晶体管多达10亿个，如何迅速排出因晶体管不停通断而产生的热量，是一个棘手的问题。个人电脑留有安装风扇的空间，但风扇最多只能应付功率不超过100瓦的芯片。设计人员正在探索一些新方法。苹果公司MacBook Air笔记本电脑光滑的外壳就是用具有良好导热性的铝材料制造的，可以吸收内部产生的热量。而在苹果Power Mac G5个人电脑上，处理器芯片底侧留出了一些通道，冷却液从中流过，带走热量。

然而，电子产品和液体联系在一起，总是让人提心吊胆。此外，智能手机等体积更小的随身数码设备根本就没有容纳液冷管道或风扇的地方。由英特尔公司牵头的一个研究团队设法把一片碲化铋（bismuth telluride）超晶格（superlattice）薄膜嵌进芯片外包装壳中（见下图）。这种热电材料将温差转化成电能，实际上起到了冷却芯片的作用。

一家名为Ventiva的高科技企业正在利用美国珀杜大学的研究成果制作一种没有运动部件的微型固态“风扇”。它通过所谓电晕风效应（corona wind effect）产生微风，与无噪声的家用空气净化器类似。一排略微凹进的格栅上装有带电导线，能够产生微小的等离子体。这种与气体相似的混合物中的离子把空气分子从导线处推到邻近的平板上，从而形成一股风。此类风扇产生的气流比普通机械式风扇强，但体积小得多。还有一些技术人员在研制斯特林发动机风扇，虽然它略显笨重，但无需电能就可以产生风。它的动力来自芯片上热区和冷区的温度差。

晶体管越小，它在代表0和1的两种状态间切换得就越快。但随着芯片逼近散热能力极限，它的时钟频率，即芯片每秒可处理的指令数，逐渐稳定在3G~4G赫兹上。在目前的散热水平和时钟频率下，为了进一步提高性能，设计人员采用了在同一块芯片上放置两个处理器（即核心）的办法。每个核心的运行速度与以前的处理器相当，但由于它们并行工作，在同样时间内可以处理更多数据，同时耗电量与发热量均有所下降。最新的个人电脑已进入四核时代，如英特尔的i7和AMD的羿龙X4。

世界上最强大的超级计算机安装了上千个核心，但在消费级产品中，虽然核心数量非常少，但为了最高效地运行，也需要新颖的编程技巧来划分数据和流程并协调各个任务。超级计算机的并行程序设计基本原则在上世纪八九十年代就已确立，现在面临的挑战是要建立起可供软件设计人员开发消费级应用程序的语言和工具。例如，微软研究院已推出了F#编程语言，而在爱立信公司早期推出的Erlang语言的基础上，研究人员又开发出新的编程语言，如Clojure和Scala等。美国伊利诺伊大学等单位也在积极研究用于多核芯片的并行程序设计。

如果这些方法能够不断完善，桌面电脑和随身数码产品有望使用几十个甚至更多的并行处理器，每个独立处理器的晶体管数目少于现有的芯片，但作为一个总体，它的速度比现有芯片快。

彻底改造硅芯片的全新方案目前仍处于萌芽阶段，要实现产业化大概得10年以后了。不过摩尔定律在那之前可能依然有效，因此对全新计算方案的研究正在紧锣密鼓地进行。

光学计算用光子而不是电子来携带信息，而光子是以光速传递信息的，因此速度要快得多。不过，要想控制光，可比对付电子难多了。通信网络中的光缆沿线需要布设许多光学开关，研究这种开关器件也为光学计算的改进提供了帮助。有趣的是，目前最成熟的一个研究项目的目标，就是实现多核心芯片上传统处理器之间的光学互连。由于每个核心对信息进行并行处理，它们之间随时会交换大量信息，用电线连接无法满足数据交换的需要，而用光子实现互连有助于信息流动。惠普实验室的研究人员正在对一些可望将信息传送量提升两个数量级的方案进行评估。

其他团队则在研究替代铜导线把芯片同电脑其他部件（例如内存和DVD光驱）连接起来的光互连技术。借助传统半导体制造工艺，来自英特尔以及美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的工程师用磷酸铟和硅制成了光学“数据通道”（见下图）。但是，要想实现全光型计算芯片，还有待基本原理方面取得突破。

用单个原子、电子甚至光子做成的电路元件是小得不能再小的东西了。在这个尺度上，各成分之间的相互作用受量子力学定律支配，这种定律用于解释原子的行为。量子计算机结构之紧凑、运算速度之快让人难以置信，但要真正造出这种计算机并控制它产生的量子效应，还是一项巨大的挑战。

原子和电子的有些特性可以存在于不同的状态，并可以形成量子式的二进制数位，即量子位（qubit）。目前研究人员正在尝试几种方法来控制量子位。其中一种叫做电子自旋技术（spintronics），电子自旋磁矩只能有两种方向（可以把电子想像成只能沿一个方向或相反方向旋转的球），正好对应“1”和“0”。但这两种状态也可以共存于同一个电子中，从而形成一种独特的量子状态，称为“0”与“1”的叠加。有了叠加态，一串电子能表示的信息与同数量只能表示普通二进制数位的硅晶体管相比，将呈指数式增加。美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的研究者在金刚石上蚀刻出空腔，然后利用空腔中的电子，打造出多种逻辑门（参见《环球科学》2007年第11期《钻石 量子计算机的心脏》）。

美国马里兰大学和美国国家标准与技术研究所则在探索另一种方案，即让一排离子悬浮在带电金属板之间，并用激光使每个离子的磁取向（即它们的量子位）反转。第二种选择则是依据离子的磁取向来探测它发出光子的不同类型。

除了能利用叠加态，量子元件还可以实现“量子纠缠”。不同量子位的状态是互相联系的，这样就可以依靠一些强大的方法来处理信息，并把信息从一个地方传送到另一个地方。