后摩爾定律時(shí)代誰來主導(dǎo)芯片產(chǎn)業(yè)

　　在摩爾定律引領(lǐng)下的集成電路生產(chǎn)正在逼近物理定律的極限，芯片產(chǎn)業(yè)迫切需要替代技術(shù)。目前尚處于研發(fā)狀態(tài)中的各種新的芯片生產(chǎn)技術(shù)—分子計(jì)算、生物計(jì)算、量子計(jì)算、石墨烯等技術(shù)中，誰將最終勝出?

　　1965年，芯片產(chǎn)業(yè)的先驅(qū)戈登-摩爾(GordonMoore)發(fā)布了著名的摩爾定律：集成電路芯片的復(fù)雜程度每過兩年就會增加一倍。此后的幾十年來，在這一定律的指引下，芯片制造工藝的進(jìn)步讓芯片的晶體管尺寸得以不斷縮小，從而使電氣信號傳輸?shù)木嚯x更短，處理速度也更快。

　　對電子行業(yè)和消費(fèi)者來說，摩爾定律意味著計(jì)算機(jī)類設(shè)備的尺寸將變得更小、速度更快、成本更低。當(dāng)然，這一切都要?dú)w功于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造方面堅(jiān)持不懈的創(chuàng)新，35年來芯片在一如既往地遵循這條軌跡。不過，工程師們也清楚，摩爾定律終究會在某個(gè)時(shí)候陷入絕境，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/晶體管">晶體管會變得只有幾十個(gè)原子那么厚。這么小的尺寸正在逼近基本的物理定律的極限，而實(shí)際上在逼近這個(gè)極限前就已經(jīng)出現(xiàn)了兩個(gè)很實(shí)際的問題：想把這么小的晶體管如此近地放在一起，又要獲得高產(chǎn)量(質(zhì)量合格的芯片，而不是有瑕疵的芯片)，成本會變得過于高昂;而另一方面，一大堆晶體管進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)產(chǎn)生的熱量會急劇攀升，足以燒毀元件本身。

　　的確，這些問題幾年前已經(jīng)開始顯現(xiàn)了。如今普通的個(gè)人電腦普遍采用“雙核”芯片——意味著使用兩個(gè)小處理器，而不是一個(gè)處理器，這種設(shè)計(jì)的一個(gè)非常主要的原因是，如果把所需數(shù)量的晶體管封裝到一塊芯片上并解決散熱問題已變得困難重重。芯片設(shè)計(jì)人員改而選擇并排放置兩塊或更多塊芯片，并對它們進(jìn)行編程，以便并行處理信息。

　　摩爾定律最終可能會壽終正寢。如果真是那樣的話，工程師們該如何繼續(xù)制造出功能更強(qiáng)大的芯片呢?改用新的架構(gòu)或者研發(fā)可以逐個(gè)原子組裝的納米材料是研究人員正在研究的兩種辦法。另外一些辦法還包括量子計(jì)算和生物計(jì)算。下面會介紹一些技術(shù)，其中一些目前還處于原型階段。在接下來的20年里，這些技術(shù)有望讓計(jì)算機(jī)繼續(xù)遵循“尺寸更小、速度更快、成本更低”這條道路向前發(fā)展。

　　散熱：研發(fā)新型散熱器

　　由于一塊芯片上的晶體管數(shù)量多達(dá)10億只，消除晶體管在開關(guān)操作時(shí)生成的熱量是一大挑戰(zhàn)。雖然個(gè)人電腦里面有空間容納風(fēng)扇，但即便如此，每塊芯片約100瓦的功耗卻已是其散熱極限。為此研究人員開始設(shè)計(jì)一些新穎的替代技術(shù)。MacBookAir筆記本電腦采用由熱傳導(dǎo)鋁制成的精美外殼，并充當(dāng)散熱器。在蘋果PowerMacG5個(gè)人電腦中，液體(水)從處理器芯片下面的微通道流過以散熱。

　　不過，液體和電子器件卻是一個(gè)不可靠的組合，像智能手機(jī)這些比較小的便攜式裝置根本沒有地方來容納管道或風(fēng)扇。英特爾的一支研究小組已把一層碲化鉍超晶格薄膜做到芯片封裝體中。溫差電材料把溫度梯度轉(zhuǎn)變成電信號，實(shí)際上對芯片本身起到了散熱效果。

　　初創(chuàng)公司Ventiva正在普渡大學(xué)研究工作的基礎(chǔ)上，研制一種沒有活動部件的小型固態(tài)“風(fēng)扇”，它利用電暈風(fēng)效應(yīng)(CoronaWindEffect)來生成一股微風(fēng)—安靜的家用空氣凈化器采用了這種技術(shù)。稍稍凹下去的格柵有帶電導(dǎo)線，可以生成微型等離子體。這種氣體狀混合物里面的離子促使空氣分子從帶電導(dǎo)線轉(zhuǎn)移到相鄰極板，生成一股風(fēng)。這種風(fēng)扇生成的氣流比普通的機(jī)械風(fēng)扇大，而尺寸要小得多。其他創(chuàng)新公司則在制造斯特令發(fā)動機(jī)風(fēng)扇(不過有些笨重)，其特點(diǎn)是能生成風(fēng)，又不用耗電，芯片冷熱部位之間的溫差是驅(qū)動這些風(fēng)扇的動力。

　　架構(gòu)：多核成為主流

　　更小的晶體管能夠更快地進(jìn)行開關(guān)操作(表示0和1)，因而芯片速度更快。但是當(dāng)芯片達(dá)到散熱極限后，時(shí)鐘頻率(芯片在一秒內(nèi)可以處理的指令數(shù)量)也就無法再提高，保持在三四兆赫茲。人們希望在散熱和速度極限范圍內(nèi)獲得更高的性能，于是設(shè)計(jì)師們把兩個(gè)處理器或核心放在同一塊芯片上。雖然每個(gè)核心的運(yùn)行速度與之前的處理器一樣快，但由于兩個(gè)核心并行工作，所以在特定的時(shí)間內(nèi)能夠處理更多數(shù)據(jù)，耗電量比較低，散熱也比較少?，F(xiàn)在最新的個(gè)人電腦采用四核處理器，比如英特爾i7和AMDPhenomX4。