互动科普

半个多世纪以来，一块硅芯片上的晶体管数目，已经从最初的一个飙升到如今的近10亿个——正如著名的摩尔定律所预测的那样。制造技术的这一杰出成就，堪称史无前例，它使电脑性能——包括处理数据、逻辑运算和存储数据等方面的能力，均有了惊人的提升，从而给我们的日常生活带来了革命性变化，也催生出当今世界上规模最大、影响最广泛的行业之一——IT行业。

今后15年中，随着硅基集成电路(IC电路)上的晶体管数目持续增加，芯片上最小结构的长度，将缩短到接近分子的尺寸。但即使是对IC发展前景最乐观的人，也认为该技术必须经过重大的创新，才能接近硅晶体管最小尺寸的极限——10纳米左右。为了保持计算机技术不断发展的势头，进一步缩小计算器件，寻找一种替代技术至关重要。然而，由于硅基集成电路已经取得的成就实在太过辉煌，因此对任何后继技术的性能要求，都必定非常高，要开发出一旦需要即可转化为实际应用的技术，至少需要10年的时间。

目前，世界各地的研究人员正在钻研几种振奋人心的替代技术。量子计算便是其中颇为新颖的一种，它利用神奇的量子力学特性来处理信息。不过，远水难救近火，量子计算的真正实现或许将是几十年以后的事，即使到了那个时候，量子计算在绝大多数场合能否派上用场，也很难说清。因此许多研究小组转而寻求一种中期解决方案，也就是能够在10年左右的时间内，实现产业化应用的技术。为了具备经济可行性，这种技术必须能借用IC处理器现有的各种软硬件配套资源，包括制造设施和软件平台等关键项目。

我们这个隶属于惠普实验室的研究小组认为，纵横交叉结构是最有发展前途的一条道路。把两组平行的纳米导线（每根导线的宽度小于100个原子的宽度）互相交叉地放置在一起，就构成了一个交叉结构。两组纳米导线之间嵌入了一种特殊材料，在通电受激后可以控制导电能力的升高或降低。这样在两组交叉导线的每个交点上，就形成了一个“线间结”(interwire junction)，它起到开关的作用，可以长时间保持“开”或“关”的状态。

交叉结构有几大优势：首先，纵横交叉的纳米导线形状非常规整，同微处理器的复杂结构相比，更是如此，因此它的制造相对简单；其次，它的阵列式布局，使我们可以找到一些便捷的办法来增强电路的容错性能；第三，交叉结构可以利用多种材料和工艺来制造，这样在根据新材料特性调整现有设计方案时，便有了极大的变通空间；最后，这种单一的几何结构可以实现存储、逻辑操作和互连等多种功能，具有极强的适应性。

意外收获

1995年，我们小组开始踏上这条研究之路，那一年本文作者之一威廉斯(Williams)从美国加利福尼亚大学洛杉矶分校来到惠普公司。威廉斯虽非电脑专家，但对电子学也略知一二。第一，他知道，计算机电路必须完美无缺才能正确运作；第二，他知道在室温或高于室温的环境下，由于存在熵所引起的随机原子涨落（random atomic fluctuation)，建造一台包含数十亿个部件的机器（每个部件仅有几个原子），显得希望渺茫。即使是原子尺度的参差不齐，也会使纳米器件的大小出现显著变化，从而破坏电器性能。因而，这些微型器件中的很大一部分，实际上将不能正常工作。据此，威廉斯自然就得出了这样的结论：制造纳米电子器件是不可能的，他在惠普公司应该集中精力研究其他技术。

第二年，威廉斯偶然遇见到了惠普公司的电脑设计师库克斯(Kuekes)，这次会面彻底改变了威廉斯的上述看法，也使两人走上了一条始料未及的研究道路。库克斯告诉威廉斯，他和包括斯奈德(Snider)在内的其他研究人员建造了一台名为“特拉马克”（Teramac）的超级计算机。虽然这台计算机有大约22万个元件存在缺陷——约占元件总数的3%，但它的运行却完全正常。库克斯表示，“特拉马克”之所以有这样的本领，奥妙全在于采用了冗余设计：它的连接电路拥有相当大的富余度。该计算机首先找出并统计它的缺陷，然后对它所运行的程序进行编译，以避开破损元件，实际上就是通过备用的连接线路，来绕过这些有缺陷的元件。

威廉斯立即看出，“特拉马克”的容错本领，为建造理想的计算机指明了道路，这类计算机即使有大量纳米元件出现问题，仍能安然无恙地运行。当年夏天，威廉斯与来访的加利福尼亚大学洛杉矶分校的化学家詹姆斯·R·希思(James R.Heath)一起研究，如何把组装纳米颗粒（即用微小的基本单元组装出复杂结构）的构想应用到计算机上。在同库克斯及斯奈德反复讨论了化学组装的计算系统的容错问题后，威廉斯和希思撰写了一篇相关主题的论文。本来，他们只不过是为了练笔，但出乎所有参与者的意料，这篇论文得到了非常认真的对待，最终，于1998年发表在《科学》（Science）杂志上。

快出成果

也正是在那一年，时任美国国防高级研究计划局（DARPA, Defense Advanced Research Projects Agency，简称高研局）项目主任的布鲁斯·E·格内德(Bruce E. Gnade)和威廉·L·沃伦(William L. Warren)意识到，对于开发高研局当时正在资助的新型纳米器件技术来说，高效的体系结构具有决定性意义。人们重新对“分子电子器件”这一概念产生了兴趣——这个概念是由IBM公司的阿维·阿维拉姆(Avi Aviram)和美国西北大学(Northwestern University)的马克·A·拉特纳(Mark A. Ratner)在1974年提出的。尽管这个概念早就问世，但直到20世纪90年代初，耶鲁大学的马克·A·里德(Mark A. Reed)和莱斯大学(Rice University)的詹姆斯·M·图尔(James M. Tour)才真正着手测量电器特性，并合成用于电子器件的新型分子。格内德和沃伦很清楚，如果不发明一种适当的体系结构，从而把电子器件连接成有用的电路的话，再巧妙的电子器件也不过是头脑中的抽象概念而已。他们向科研界群英提出了一个富有刺激性的任务，即为分子器件设计一种实用的体系结构。这项挑战立即促使众多研究小组投入了紧张的工作，并催生了若干具有深远影响的合作研究项目。

我们这个研究小组（由惠普公司和加利福尼亚大学洛杉矶分校联手组成）欣然接受了这一挑战，却陷入了进退两难的尴尬境地。我们在“特拉马克”的启示下提出的体系结构，原计划需要5年的开发时间，然而高研局却希望在短短两年之内就拿出实用成果（一个16位的存储器件）。随后几周里，希思、库克斯和威廉斯各抒己见、群策群力，终于提出了一个可以满足高研局时间要求的方案。库克斯和威廉斯当时知道了惠普公司的磁随机存取存储器(magnetic random-access memory)研究项目，并且意识到，这种存储器所采用的简单交叉结构，正是“特拉马克”布局方案的最终抽象形式。

希思指出，交叉结构“与晶体相似”，因此从原理上说，可以用化学手段建造这种结构。为此，需要寻找某种适当的方式，通过一个可以随意开启或关掉的开关，把交叉结构中的每一对交叉导线连接起来。威廉斯则提出，可以在导线间嵌入一种通过电化学激活的材料，这样，只要在两条纳米导线间加上一个适当的电压，就能够显著改变接点的电阻，而且这一变化是可逆的（施加另一个电压后，接点电阻可以复原）。也就是说，这种开关是通过控制“隧道效应”（电子从一个电极跳到另一个电极所必须跨越的量子“隧穿”间隙）来实现的。通过电化学手段，使间隙缩小，开关就闭合。施加方向相反的偏压，使“隧穿”间隙变大，电阻值随之上升，这样开关就重新断开。

希思提供了我们所需要的材料。他让我们这个合作研究小组见识了J·弗雷泽·斯托达特(J. Fraser Stoddart)（当时刚到加利福尼亚大学洛杉矶分校任教）设计的一种分子，它通过电化学效应来实现机械开关功能。我们的构想是，只要用一种方法（不管是什么方法）改变两条导线之间的形状，它也将同时改变电子从一条导线隧穿到另一条导线的能力。关键的一步，是游说当时忙得不可开交的斯托达特，请他抽出点时间对他发明的分子（他将之命名为“rotaxanes”）进行化学变性，使它成为油质分子。经过这样的变性处理后，希思就可把一小滴“rataxanes”置于水面上，让它扩散开来，形成一层只有一个分子厚的薄膜，再把这层薄膜转移到一个已经布置好底层导线的衬底上，此过程被称为“LB技术”(the Langmuir-Blodgett technique)。然后，我们透过一层掩模将金属蒸气吹送到薄膜上，冷凝形成顶层导线，这样就完成了整个电路。这些早期实验所带来的成果包括：几项美国专利申请、一项向高研局提出的研究课题申请以及在《科学》杂志上发表的又一篇论文。

幸运入围

尽管对我们的交叉结构和电化学开关方案持怀疑态度的大有人在，但高研局却批准这一方案以及其他几项方案，并进入为期两年的试验。在这项研究的早期，希思和斯托达特的研究小组证明，嵌在电极之间的“rotaxanes”分子，的确能够在高电阻和低电阻这两种状态间切换。此后我们和其他一些研究人员——包括哈佛大学的查尔斯·利伯(Charles Lieber)的研究小组和里德和图尔的研究小组——又发现了一系列不同的纳米尺度切换机制。这些五花八门的结果和思路，似乎让研究界无所适从，而各种不同的切换现象也有待进一步理顺和澄清，但是，电切换效应的存在如今已得到了广泛认同。现在，在全球各地，有数十个研究小组正在攻关，努力开发稳固的原子型或分子型纳米电开关(见83页图)。

2000年，我们在加利福尼亚大学洛杉矶分校的合作伙伴利用交叉结构，率先做出了高研局新型纳米器件工程所要求的一种实用型16位存储器。这一成就使高研局大受鼓舞，于是他们又拔款设立了一项更具雄心的后继攻关工程：制造一种存储密度达每平方厘米1千亿位的16-kilobit存储器。这一目标把门槛设置得非常高，因为要实现这个目标，就需要具备先进的制造技术，而人们预计，半导体行业要到2018年才会用上这样的技术。

我们在惠普公司的研究小组再接再厉，又发明了若干种以交叉结构为基础的新型电路，特别是容错存储器和几类不同的逻辑电路。美国加州理工学院(California Institute of Technology)的安德烈·德洪(André DeHon，与黑伯的研究小组合作）以及美国纽约州立大学石溪分校(Stony Brook University)的康斯坦丁·K·利哈廖夫(Konstantin K. Likharev)，也对最初的体系结构方案作了一些引人注目的改进。虽然交叉、开关式的体系结构在高研局海选方案中以黑马的姿态参选，但现在世界各地的众多研究小组已采纳了这一方案，并对它做了适当修改，其中包括日本国立材料科学研究所(National Institute for Materials Science in Japan)青野正和(Masakazu Aono)的研究小组，以及德国于利希研究中心(Research Center Jülich)赖纳·瓦泽(Rainer Waser)领导的研究小组。

要想了解交叉结构方案，我们首先必须探讨一下开关与交叉结构的特性，用纳米导线制作交叉结构的方法，以及用不可靠的元件打造可靠电路的可行性。

填补空白

纳米交叉结构的概念，源于这样一种根本认识：元件的缺陷是不可避免的，我们必须正视和接受这一点，并采取适当的措施来“弥补”。只要能够实现与纳米导线的通信，“特拉马克”所采取的这种“惹不起躲得起”的策略，就是行得通的。但这又引出了另外一个问题：纳米电子器件和控制网络所需的传统硅集成电路，不论在尺寸和数量上，都存在着巨大差异，我们该如何架起桥梁，将两者连接起来呢？如果只能用一对一的连接方式，纳米交叉结构就没有任何优势可言了。为了解决这个问题，我们可以通过多路分配器(demultiplexer)来实现电连接。多路分配器是一个用来识别不同纳米导线的分支电路。给每根纳米导线规定一个独有的二进制标志符（也就是这根导线的“地址”），例如1010，那么把1010输入多路分配器后，它就将选择以1010为标志符的纳米导线(见右上图)。在我们这个例子中，多路分配器是一类特殊的交叉结构，它把许多纳米导线与数量较少的常规导线连接起来。

输入一个二进制地址所需要的导线数目，就等于这个二进制地址的位数。不过，可以寻址的纳米导线数目，则与这个二进制数字能够一一指定的地址总数相等。例如，长度为四位的二进制数字（0000、0001、0010等等）可以指定16个不同的地址。因此，4根微米级导线可以控制16根纳米级导线。这个事实具有十分重要的意义——要想让打造纳米电路成为一项合算的买卖，就必须掌握用少量常规电子器件控制大量纳米电路的方法。一般说来，如果进入多路分配器的常规输入导线为K条，那么它就能分别控制2K条纳米导线，这种指数型的比例关系，非常有吸引力。

然而，如果多路分配器中的一根纳米导线与一根常规导线之间的任一连接中断，那就会出大问题。这时，多路分配器就无法将地址中包含那个出错二进制数据位的K条不同的纳米导线区别开来了。例如，如果二进制地址数据的最后一位所对应的连接中断，那么0000和0001将无法区分，1110和1111以及其他类似的配对地址也是如此。因此，多路分配器中一条连线断开，将导致位于K条纳米导线下游的纳米电路全部失效，这是一个灾难性故障。由此看来，多路分配器（它属于半纳米电路）必须完美无缺，但这又与我们的指导方针——即纳米电子器件可以有缺陷——背道而驰。

如何摆脱这一困境呢？编码理论为我们提供了答案，这是工程师们在噪声较大的环境中传输数字信息时（例如卫星通信中的数据传送）所运用的技术。总的构想可以简述如下：首先我们可以把一项信息分成若干二进制数据块，即由0和1组成的一个个数字串。然后给每个数据块加上若干额外的数据位，使其扩充为一个更大的数据块（即编码）。附加的数据位，是用原始数据块中的数字输入到一个代数公式中计算出来的。当这条经过扩充的信息在大气或其他噪声较大的某种环境中传送时，编码信息中的某些数据位可能会出错（有些1可能变成0，有些0可能变成1）。但是不用担心，接收方在收到信息后，将编码数据按相反流程进行处理，就可以准确地还原出原始信息（当然，如果出错的数据位太多，把原始信息搞得面目全非的话，这种方法也就无济于事了）。

在惠普公司的加迪尔·塞鲁西(Gadiel Seroussi)、龙尼·罗思(Ronnie Roth)以及沃伦·罗比内特(Warren Robinett)等人的指导下，我们运用这一方法来保护我们的纳米导线，使它免受多路分配器中连线断开的影响：我们不再对纳米导线进行逐一编号，而是将地址空间扩大，也就是使进入多路分配器的纳米导线的数目，超过一一指定每根纳米导线地址所需要的最低数目（假定超出的幅度为d条导线）。结果表明，在这种情况下，即使每根纳米导线与常规导线之间有若干连接中断，多路分配器仍能正确地对所有纳米导线寻址。究竟需要多大的冗余度，取决于连线出现缺陷的概率。如果多路分配器中连线的缺陷率为0.01的话，那么相对较小的冗余度（大约40%）就能把生产一个合格多路分配器的效率从0.0001提高到0.9999。

再接再厉

继首个16位储存器件问世之后，2002年，希思的研究小组和我们这个惠普公司的研究小组，又运用不同的导线和开关方案，演示了制程(half-pitch)为62纳米的64位存储器，而去年则演示了制程为30纳米的1 kilobit交叉结构（2005年最先进的半导体集成电路的制程为90纳米）。这些演示储存器件中的每根纳米导线，都与一个单独的接点连接。我们通过简单地施加偏压来写入数据：当所加的偏压值超过了使两根导线间指定开关翻转所需的阈值时，就可以写入1位数据（低电阻代表1，高电阻代表0）。只要写入1或写入0的电压阈值比较灵敏，而且交叉结构阵列中各接点间的“写入”电压波动小于转换电压的一半，那么这一方法就可以确保只向交叉结构中的指定位置进行写入，而其他任何数据位均不会被误写或误擦。如果要读出储存在开关中的数据，只须在指定的交叉导线间加上一个低得多的电压，并测量其接点处的电阻。事实证明，这些初步的结果非常鼓舞人心——在惠普的64位储存器中，1（开）与0（关）之间的电阻比率超过100，从而使数据位很容易读出。

实现纳米储存器的目标已经指日可待（高研局“擂台赛”所规定的目标是16纳米制程），我们下面要解决的难题，就是用纳米级逻辑电路进行通用计算。我们同惠普公司的邓肯·R·斯图尔特(Duncan R. Stewart)一起，通过设定交叉结构中各开关的电阻值，实现了简单的逻辑运算——布尔AND（与）及OR（或）运算。不过能够执行的逻辑运算范围，仅限于没有NOT（非）操作，即信号的反转，将1变成0，将0变成1的运算。此外，用电路实现的逻辑功能，也必定会使电压水平逐渐下降。如果在串联电路中使用太多的逻辑功能，1和0就无法区分开来，而计算也就不可能进行下去了。

硅集成电路，借助晶体管来实现信号的恢复和反相。这一事实启发希思和利伯的研究小组，用硅纳米导线制作出了晶体管。我们与德洪则用一种“拼嵌瓷砖”式的布局，来制作我们的逻辑电路，它由嵌进交叉结构中的晶体管和其他元件构成。然而，由于这种方法采用了现有的集成电路技术，最终它还是摆脱不了上文提到的种种问题，因此无法提供一个超越摩尔定律的解决方案。目前我们正在研究一种变通办法，希望不靠晶体管就能实现信号的反相和恢复。

我们尝试用开关、AND和OR电路阵列打造一种另类的交叉结构逻辑电路。在这种电路中，开关执行锁存操作，不久前我们和斯图尔特一起进行了演示。我们确定了使开关导通（此时它代表1）以及使开关关断（此时它代表0）所需的电压值。任何一条连接到开关输入端的导线，都必定使开关切换到该导线当前所处的逻辑状态上，这样就把一位“逻辑”信息转变成了“存储”信息。

一旦此位信息已经以一种存储状态储存起来，那么，只要把开关的输出导线连接到一个电压源上（在本例中就是从控制运算同步进行的时钟上引出的一条导线），此位信息就可以用于后面各步逻辑运算中。因此，这种新的连接方式就可以在逻辑状态的电压出现下降时，使之恢复到规定的电压水平。还有一招是切换输出导线上代表1和0的电压，也就是使逻辑信号反相。这种切换可实现逻辑NOT运算，它与AND或OR运算配合，就足以完成任何一种计算了。这样，即没有使用晶体管，也不依靠晶体管的任何半导体特性，我们就在交叉结构逻辑电路中成功地实现了信号恢复和反相的功能。

未来之路

晶体管集成电路过时以后，通用计算将会朝着哪个方向发展，仍然很不明朗。但是，过去几年中，交叉体系结构已经脱颖而出，成为新的计算模式的主要竞争者之一。目前还有许多问题需要解决。研究人员必须三管齐下，迅速推进体系结构、元器件物理特性及纳米制造等领域中的研发工作。确保各个学科之间的充分合作与交流，是一项具有高度挑战性的任务，难度一点不亚于技术攻关。为了获得成功，参与这项研究的多个小组在彼此较劲的同时，也必须像参加高研局“擂台赛”的几个研究小组那样，相互展开合作。

纳米电子技术在未来不管走上什么样的发展道路，容错都必定是不可缺少的一个要素。如果一发现有缺陷的元器件就“避开”，并用编码理论来弥补这些缺陷，那么交叉体系结构无疑是最理想的。未来的电路，即使一开始其问题元器件的比率就很高，也仍然比现有的电子器件更牢靠。这是因为它们具有内在的冗余度，能够经受住破坏性的外力作用（如辐射等）。常规电路一旦受到这类作用，往往就会崩溃，但采用交叉体系结构的电路，只不过性能略有下降而已。

将“隧道效应”开关的量子力学特性应用于纳米级电路非常合适。随着元器件线宽的不断缩小，元器件中的电子呈现出越来越明显的量子力学特性。这类开关的大小应该能收缩到接近单个原子的尺度，这提醒我们，电子电路未来的微型化，有朝一日可能会发展到何等惊人的地步。