矽正在接近極限,芯片未來靠什麼?

追蹤報導“半導體行業觀察”,編輯:Jamie Carter。

如果我們的電子產品想要變得更小更快,就需要技術上的進步。

圖片來源:英特爾

我們生活在一個由計算機電路驅動的世界。現代生活依賴於半導體芯片和矽基集成電路上的晶體管,它們可以開關電子信號。大多數晶體管使用豐富而廉價的矽元素,因為它既可以阻止也可以允許電流流動,它既是絕緣體又是半導體。

直到最近,擠壓在矽芯片上的微型晶體管每年的體積都縮小一半。它造就瞭現代數字時代,但這個時代即將結束。隨著物聯網、人工智能、機器人技術、自動駕駛汽車、5G和6G手機這些計算密集型工作的問世,科技的未來岌岌可危。那麼接下來會發生什麼呢?

什麼是摩爾定律?

摩爾定律是計算能力的指數增長。早在1965年,英特爾聯合創始人戈登·摩爾就觀察到,一英寸計算機芯片上的晶體管數量每年翻一番,而成本則減半。現在,這個時間是18個月,而且越來越長。事實上,摩爾定律不是定律,隻是一個為芯片制造商工作的人的觀察結果,但增長的時間意味著未來的密集計算應用可能受到威脅。

一部智能手機包含超過2000億個晶體管。資料來源:CC0 Creative Commons

摩爾定律已死?

沒有,但是速度太慢瞭,矽芯片需要幫助。英國半導體應用公司Catapult的首席執行官Stephen Doran說:“在越來越多的需要提高速度、減少延遲和光檢測的應用中,矽正在達到其性能的極限。”

然而,他認為現在談論矽的替代物還為時過早。他補充稱:“這意味著矽將被完全取代,這在短期內不太可能發生,很可能永遠不會發生。”

Imagination Technologies營銷傳播副總裁David Harold表示:“至少在2025年之前,摩爾定律式的業績提升仍有潛力。直到20世紀40年代,矽仍將主導芯片市場。”

計算機的第二個時代即將到來

仔細研究矽晶體管問題非常重要;作為一個概念,它並沒有“死亡”,但是它已經超過瞭它的頂峰。Rambus內存和接口部門首席科學傢Craig Hampel表示:“摩爾定律專門指的是由半導體制造的集成電路的性能,而且隻記錄瞭過去50多年的計算。”

這場超越矽的競賽正在進行。 圖片來源:英特爾

“人類對計算需求的增長趨勢可追溯到算盤、機械計算器和真空管,並可能遠遠超出半導體(如矽),包括超導體和量子力學。”

超越矽是一個問題,因為未來的計算設備將需要更加強大和靈活。Harold說:“日益增加的計算問題是,未來的系統將需要學習和適應新的信息。它們必須‘像大腦一樣’。再加上芯片制造技術的轉型,它們將為計算創造革命性的第二個時代。”

什麼是冷計算?

一些研究人員正在研究用更少的能量獲得高性能計算機的新方法。“數據中心或超級計算機的冷運行可以帶來顯著的性能、功耗和成本優勢。”Hampel說。

微軟(MSFT.US)的Natick項目就是一個例子,作為該項目的一部分,一個巨大的數據中心沉入瞭蘇格蘭奧克尼群島海岸,但這隻是一小步。進一步降低溫度意味著漏電流更少,晶體管開關的閾值電壓更低。

作為Natick項目的一部分,微軟在大西洋沉入瞭一個數據中心。 圖片來源:微軟

Hampel說:“它減少瞭延伸摩爾定律的一些挑戰。”他補充說,對於這些類型的系統來說,自然的操作溫度是77K(-270℃)的液氮。“大氣中含有豐富的氮,以液態形式收集相對便宜,而且是一種有效的冷卻介質。我們希望,在內存性能和功耗方面,或許能再延長4~10年的時間。”

什麼是化合物半導體?

下一代半導體由兩種或兩種以上的元素組成,這些元素的特性使它們比矽更快、效率更高。這是“機會”,它們已經在使用,並將有助於創建5G和6G手機。

Doran說:“化合物半導體結合瞭元素周期表中的兩種或多種元素,例如鎵和氮,形成氮化鎵。”他解釋說,這些材料在速度、延遲、光檢測和發射等方面都優於矽,這將有助於實現5G和自動駕駛汽車等應用。

化合物半導體將進入5G手機。 圖片來源:AT&T

盡管它們可能與普通矽芯片一起使用,但化合物半導體將進入5G和6G手機,本質上使它們足夠快、足夠小,同時還具有良好的電池壽命。

Doran說:“化合物半導體的出現改變瞭遊戲規則,它有潛力帶來變革,就像互聯網變革通訊領域一樣。”這是因為,化合物半導體的速度可能比矽快100倍,因此可以為物聯網增長帶來的器件激增提供動力。

什麼是量子計算?

當你可以擁有量子世界的疊加和糾纏現象時,誰還需要經典計算機系統的開關狀態呢?IBM(IBM.US)、谷歌(GOOG.US)、英特爾(INTC.US)和其他公司都在競相使用量子比特(又稱“qubits”)來制造具有強大處理能力的量子計算機,其處理能力遠遠超過矽晶體管。

問題是,在實現量子計算的潛力之前,量子物理學傢和計算機架構師要實現許多突破,有一個簡單的測試,量子計算界的一些人認為,在量子計算機問世之前,需要滿足他們的要求:“量子至上”。

Hampel表示:“這隻是意味著,在摩爾定律的道路上,量子機器比傳統半導體處理器更擅長完成特定的任務。”到目前為止,實現這一目標仍然遙不可及。

英特爾在做什麼?

由於英特爾是制造矽晶體管的先驅,因此英特爾在矽基量子計算研究方面投入巨資也就不足為奇瞭。

英特爾銷售與營銷集團副總裁兼英國區總經理Adrian Criddle表示:“除瞭投資擴大需要在極低溫度下存儲的超導量子比特外,英特爾還在研究一種替代方法。替代架構基於‘自旋量子比特’,在矽片中運行。”

自旋量子比特使用微波脈沖來控制矽基器件上單個電子的自旋,英特爾最近在其最新的“世界最小的量子芯片”上使用瞭自旋量子比特。至關重要的是,它使用矽和現有的商業制造方法。

英特爾的自旋量子比特。 圖片來源:Walden Kirsch /英特爾公司

Criddle解釋說:“自旋量子比特可以克服超導方法帶來的一些挑戰,因為它們的物理尺寸更小,更容易微縮,而且可以在更高的溫度下工作。更重要的是,自旋量子比特處理器的設計類似於傳統的矽晶體管技術。”

然而,英特爾的自旋量子比特系統仍然隻能接近絕對零度;冷計算將與量子計算機的發展密切相關。與此同時,IBM有一個50比特的處理器Q,而谷歌量子AI實驗室有72比特的Bristlecone處理器。

石墨烯和碳納米管怎麼樣?

這些所謂的神奇材料有朝一日可能會取代矽。Doran說:“它們現有的電氣、機械和熱學特性遠遠超出瞭矽基器件所能達到的水平。”然而他警告說,可能需要很多年才能準備好迎接黃金時代。

他說:“矽基器件經過瞭幾十年的改進,並隨著相關制造技術的發展而發展。石墨烯和碳納米管仍處於這一旅程的起點,如果它們要在未來取代矽,實現這一目標所需的制造工具仍然需要開發。”

石墨烯墨水有一天可能取代矽。 圖片來源:Jamie Carter

原子時代

無論其他材料的前景如何,我們現在正處於原子時代。Harold說:“每個人都在考慮原子。我們的進展現在已經到瞭單個原子計數的階段,甚至存儲正在尋找在原子水平上工作的方法——IBM已經展示瞭在單個原子上存儲數據的可能途徑。”今天,創建1或0,即用來存儲數據的二進制數字,需要10萬個原子。

然而,這裡有一個問題。Harold補充說:“作為存儲或傳輸信息的手段,原子本質上不太穩定,這意味著需要更多的邏輯來糾正錯誤。”因此,未來的計算機系統很可能是各種技術的疊加,每一種技術都是為瞭彌補另一種技術的缺點。

因此,沒有哪個答案可以將矽的壽命延長到下一個計算時代。化合物半導體、量子計算和冷計算都有可能在研發中發揮重要作用。計算機的未來很可能會出現機器的層級結構,但到目前為止,沒有人知道明天的計算機會是什麼樣子。

Hampel表示:“雖然摩爾定律將會終結,但指數計算能力的長期和持久趨勢很可能不會終結。”

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