[原创] 硅正在接近极限，芯片未来靠什么？

如果我们的电子产品想要变得更小更快，就需要技术上的进步。

图片来源：英特尔

我们生活在一个由计算机电路驱动的世界。现代生活依赖于半导体芯片和硅基集成电路上的晶体管，它们可以开关电子信号。大多数晶体管使用丰富而廉价的硅元素，因为它既可以阻止也可以允许电流流动，它既是绝缘体又是半导体。

直到最近，挤压在硅芯片上的微型晶体管每年的体积都缩小一半。它造就了现代数字时代，但这个时代即将结束。随着物联网、人工智能、机器人技术、自动驾驶汽车、5G和6G手机这些计算密集型工作的问世，科技的未来岌岌可危。那么接下来会发生什么呢?

摩尔定律是计算能力的指数增长。早在1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔就观察到，一英寸计算机芯片上的晶体管数量每年翻一番，而成本则减半。现在，这个时间是18个月，而且越来越长。事实上，摩尔定律不是定律，只是一个为芯片制造商工作的人的观察结果，但增长的时间意味着未来的密集计算应用可能受到威胁。

一部智能手机包含超过2000亿个晶体管。资料来源：CC0 Creative Commons

没有，但是速度太慢了，硅芯片需要帮助。英国半导体应用公司Catapult的首席执行官Stephen Doran说：“在越来越多的需要提高速度、减少延迟和光检测的应用中，硅正在达到其性能的极限。”

然而，他认为现在谈论硅的替代物还为时过早。他补充称：“这意味着硅将被完全取代，这在短期内不太可能发生，很可能永远不会发生。”

Imagination Technologies营销传播副总裁David Harold表示：“至少在2025年之前，摩尔定律式的业绩提升仍有潜力。直到20世纪40年代，硅仍将主导芯片市场。”

仔细研究硅晶体管问题非常重要；作为一个概念，它并没有“死亡”，但是它已经超过了它的顶峰。Rambus内存和接口部门首席科学家Craig Hampel表示：“摩尔定律专门指的是由半导体制造的集成电路的性能，而且只记录了过去50多年的计算。”

这场超越硅的竞赛正在进行。 图片来源：英特尔

“人类对计算需求的增长趋势可追溯到算盘、机械计算器和真空管，并可能远远超出半导体（如硅），包括超导体和量子力学。”

超越硅是一个问题，因为未来的计算设备将需要更加强大和灵活。Harold说：“日益增加的计算问题是，未来的系统将需要学习和适应新的信息。它们必须‘像大脑一样’。再加上芯片制造技术的转型，它们将为计算创造革命性的第二个时代。”

一些研究人员正在研究用更少的能量获得高性能计算机的新方法。“数据中心或超级计算机的冷运行可以带来显著的性能、功耗和成本优势。”Hampel说。

微软的Natick项目就是一个例子，作为该项目的一部分，一个巨大的数据中心沉入了苏格兰奥克尼群岛海岸，但这只是一小步。进一步降低温度意味着漏电流更少，晶体管开关的阈值电压更低。

作为Natick项目的一部分，微软在大西洋沉入了一个数据中心。 图片来源：微软

Hampel说：“它减少了延伸摩尔定律的一些挑战。”他补充说，对于这些类型的系统来说，自然的操作温度是77K（-270℃）的液氮。“大气中含有丰富的氮，以液态形式收集相对便宜，而且是一种有效的冷却介质。我们希望，在内存性能和功耗方面，或许能再延长4~10年的时间。”

下一代半导体由两种或两种以上的元素组成，这些元素的特性使它们比硅更快、效率更高。这是“机会”，它们已经在使用，并将有助于创建5G和6G手机。

Doran说：“化合物半导体结合了元素周期表中的两种或多种元素，例如镓和氮，形成氮化镓。”他解释说，这些材料在速度、延迟、光检测和发射等方面都优于硅，这将有助于实现5G和自动驾驶汽车等应用。

化合物半导体将进入5G手机。 图片来源：AT&T

尽管它们可能与普通硅芯片一起使用，但化合物半导体将进入5G和6G手机，本质上使它们足够快、足够小，同时还具有良好的电池寿命。

Doran说：“化合物半导体的出现改变了游戏规则，它有潜力带来变革，就像互联网变革通讯领域一样。”这是因为，化合物半导体的速度可能比硅快100倍，因此可以为物联网增长带来的器件激增提供动力。

当你可以拥有量子世界的叠加和纠缠现象时，谁还需要经典计算机系统的开关状态呢？IBM、谷歌、英特尔和其他公司都在竞相使用量子比特（又称“qubits”）来制造具有强大处理能力的量子计算机，其处理能力远远超过硅晶体管。

问题是，在实现量子计算的潜力之前，量子物理学家和计算机架构师要实现许多突破，有一个简单的测试，量子计算界的一些人认为，在量子计算机问世之前，需要满足他们的要求：“量子至上”。

Hampel表示：“这只是意味着，在摩尔定律的道路上，量子机器比传统半导体处理器更擅长完成特定的任务。”到目前为止，实现这一目标仍然遥不可及。

由于英特尔是制造硅晶体管的先驱，因此英特尔在硅基量子计算研究方面投入巨资也就不足为奇了。

英特尔销售与营销集团副总裁兼英国区总经理Adrian Criddle表示：“除了投资扩大需要在极低温度下存储的超导量子比特外，英特尔还在研究一种替代方法。替代架构基于‘自旋量子比特’，在硅片中运行。”

自旋量子比特使用微波脉冲来控制硅基器件上单个电子的自旋，英特尔最近在其最新的“世界最小的量子芯片”上使用了自旋量子比特。至关重要的是，它使用硅和现有的商业制造方法。

英特尔的自旋量子比特。 图片来源：Walden Kirsch /英特尔公司

Criddle解释说：“自旋量子比特可以克服超导方法带来的一些挑战，因为它们的物理尺寸更小，更容易微缩，而且可以在更高的温度下工作。更重要的是，自旋量子比特处理器的设计类似于传统的硅晶体管技术。”

然而，英特尔的自旋量子比特系统仍然只能接近绝对零度；冷计算将与量子计算机的发展密切相关。与此同时，IBM有一个50比特的处理器Q，而谷歌量子AI实验室有72比特的Bristlecone处理器。

这些所谓的神奇材料有朝一日可能会取代硅。Doran说：“它们现有的电气、机械和热学特性远远超出了硅基器件所能达到的水平。”然而他警告说，可能需要很多年才能准备好迎接黄金时代。

他说：“硅基器件经过了几十年的改进，并随着相关制造技术的发展而发展。石墨烯和碳纳米管仍处于这一旅程的起点，如果它们要在未来取代硅，实现这一目标所需的制造工具仍然需要开发。”

石墨烯墨水有一天可能取代硅。 图片来源：Jamie Carter

无论其他材料的前景如何，我们现在正处于原子时代。Harold说：“每个人都在考虑原子。我们的进展现在已经到了单个原子计数的阶段，甚至存储正在寻找在原子水平上工作的方法——IBM已经展示了在单个原子上存储数据的可能途径。”今天，创建1或0，即用来存储数据的二进制数字，需要10万个原子。

然而，这里有一个问题。Harold补充说：“作为存储或传输信息的手段，原子本质上不太稳定，这意味着需要更多的逻辑来纠正错误。”因此，未来的计算机系统很可能是各种技术的叠加，每一种技术都是为了弥补另一种技术的缺点。

因此，没有哪个答案可以将硅的寿命延长到下一个计算时代。化合物半导体、量子计算和冷计算都有可能在研发中发挥重要作用。计算机的未来很可能会出现机器的层级结构，但到目前为止，没有人知道明天的计算机会是什么样子。

Hampel表示：“虽然摩尔定律将会终结，但指数计算能力的长期和持久趋势很可能不会终结。”