碳納米晶體管性能已超硅晶體管 誰將成為下一代材料?
2016-09-07 10:02:39   來源:中國新聞網
內容摘要
如今半導體圈最棘手的事莫過于摩爾定律即將終結,研究人員不得不尋找硅材料的替代者來提升半導體的性能,而碳納米管就被認為是最有可能取代硅的材料之一。

  近日,美國威斯康星大學麥迪遜分校已經在這一材料的研發上取得了跨越式的突破,該校的材料學家成功研制了1英寸大小碳納米晶體管,并且首次在性能上同時超越了硅晶體管和砷化鎵晶體管。

  顧名思義,碳納米晶體管是由碳納米管作為溝道導電材料制作而成的晶體管,其管壁只有一個原子厚,這種材料不僅導電性能好,而且體積能做到比現在的硅晶體管小100倍。另外,碳納米晶體管的超小空間使得它能夠快速改變流經它的電流方向,因此能達到5倍于硅晶體管的速度或能耗只有硅晶體管的1/5。

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  不過因為技術的瓶頸,過去很長一段時間研究人員都沒能研制出性能優于硅晶體管和砷化鎵晶體管的碳納米晶體管,更不用奢望其應用在各類電子設備中。

  據了解,按照傳統的做法,碳納米管內通常會混雜一些金屬納米管,但是這些金屬納米管會造成電子裝置短路,從而破壞碳納米管的導電性能。威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員這次另辟蹊徑,他們利用聚合物取代了幾乎所有的金屬納米管,將金屬納米管的含量降到0.01%以下,這樣的做法大大提升了導電性能。

  除此之外,該研究團隊還在工藝上做出了改善,他們研發出的溶解方法成功移除碳納米管制造過程中產生的殘渣。

  威斯康星大學麥迪遜分校材料工程學教授邁克·阿諾德表示:“我們的研究同時克服了碳納米管面臨的多重障礙,最終獲得了性能首超硅晶體管的1英寸碳納米晶體管。碳納米管的許多設想仍有待實現,但我們終于在二十年后實現了趕超。”

  那么問題來了,石墨烯和碳納米管誰會成為下一代半導體材料?


【處理器發展至今 要出新的摩爾定律了?

? ? 根據近期發布的《2015國際半導體技術發展藍圖》,到2021年,芯片制造商將無法繼續縮小晶體管的尺寸,電腦處理器上承載的晶體管數量將達到最大。

? ? 該報告預測,芯片制造商若垂直而非水平的排布晶體管將能獲得性能提升。這種方法雖然理論上可行,卻面臨著不小的挑戰,其中最值得注意的是散熱問題。3D化的處理器要求低功率的設備具有良好的散熱性能。

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? ? 《2015國際半導體技術發展藍圖》將是最后一份此類報告。過去20年中,國際半導體組織結成的聯盟每年都會撰寫一份這樣的報告,這主要還是因為他們想用統一的方式推動半導體技術前進。但由于業界的參與越來越少,這份報告的實際意義越來越低。業界參與度低的原因之一是:芯片的需求不再由英特爾和三星這樣生產商決定,轉而由蘋果和高通這樣的消費商決定。

? ? 半導體產業研究機構的分析師Dan Hutcheson表示:“他們(芯片消費商)不想坐在一起協商他們的需求是什么。”

? ? 某種程度上,《國際半導體技術發展藍圖》將被電氣與電子工程師協會(IEEE)發布的Rebooting Computing取代。去年秋天初版的Rebooting Computing也提到了處理器發展速度變緩,行業需要新技術出現的問題。

? ? 堆疊晶體管的技術雖然能突破摩爾定律,不過如果無法解決散熱問題的話,這種技術的意義不大。光子計算也是一種可能性,但它的未來難以預測。


【比爾·蓋茨:摩爾定律并非適用于所有科技領域

? ? 比爾·蓋茨(Bill Gates)上周表示,摩爾定律稱芯片性能呈指數增長,該定律很好,但并不適用于所有科技領域。蓋茨在上周召開的技術峰會上回答聽眾問題時說:“IT模式令我們都很受傷、很困惑。指數增長領域只是鳳毛麟角。”

? ? 蓋茨指出,只有獨立的技術領域會遵循指數增長的摩爾定律。蓋茨說:“我們確實看到指數增長現象,在硬盤存儲、光纖容量、基因排序、生物學數據庫和模型軟件改進領域確實存在一些指數增長現象。”

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? ? 但在其它領域,尤其是能源領域并未發生指數改變。蓋茨援引作家瓦茨拉夫·史密爾(Vaclav Smil)的文章稱,假如托馬斯·愛迪生(Thomas Edison)轉世,他會對電池和燈泡并未獲得太大改進而感到驚奇。

? ? 蓋茨指出,尤其是提高電池性能將是我們面臨的一個很棘手的挑戰。蓋茨說:“電池性能幾乎未獲得改進,其中存在很大的物理限制。我曾投資5家電池創業公司,提高電池性能是一個很棘手的問題,目前還沒有發現一個很經濟的解決方案。”


【世界紀錄的“摩爾定律”何時能破?

  里約奧運會田徑比賽開賽僅四天,三項世界紀錄已經被打破。世界紀錄經歷“里約滑鐵盧”讓人不禁好奇:“更快、更高、更強”有沒有終點?人類的極限究竟在哪里?

  用“風雨飄搖”來形容里約奧運會上的世界紀錄一點不為過。以田徑為例,由中國名將王軍霞創造的女子萬米世界紀錄沉睡了23年,來自埃塞俄比亞的阿亞娜一下子就將其提高了14秒多。美國名將邁克爾·約翰遜男子400米世界紀錄也被南非人范尼凱克提高到43秒03,約翰遜創造這個紀錄還是17年前。隨后的比賽里,波蘭選手沃達爾奇克打破了女子鏈球世界紀錄。

  里約奧運會的泳池中、舉重賽場上,選手打破的世界紀錄更是讓人應接不暇。可其實如果在更長的時間單位上來考量這些世界紀錄,整體上世界紀錄被破的數量和幅度都是在放緩的。一個世紀前男子百米紀錄就已經達到了10秒6,到如今僅提高了一秒左右。

  但不論局部的快還是整體的慢,人類的身體機能終究是有極限的,即便是經過了這么久的進化,血肉之軀依然有著能力邊界。仍以男子百米為例,科學研究顯示,距離目前人類這種身體結構所能達到的極限,也就剩下零點幾秒的提升空間。

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? ? 人類運動成績的提高與計算機芯片的發展有幾分類似。芯片產業界元老戈登·摩爾在1965年提出:芯片的性能每約兩年就會翻一番,這被稱作“摩爾定律”,該定律在過去半個世紀中一直有效。今天的電腦,性能不但遠勝祖宗“埃尼亞克”,也超過了20年前的超級計算機“深藍”。

?  然而“摩爾定律”近年來疲態盡顯,芯片的工藝已經逐漸接近硅晶芯片原子極限,一堵“墻”就在前方,怎么辦?調整架構、發力多核……各種各樣的方法被提出,以避免“撞墻”,量子計算機等新技術也被寄予厚望能繞過這堵“墻”。

  可回望人類自己,我們幾乎沒有退路,在可以預見的未來,幾百年后,第N屆奧運會上,很有可能一個世界紀錄也打破不了,媒體報道甚至或許會出現“沉睡百年的男子百米世界紀錄”這樣的語句。

  誠然,打破世界紀錄的瞬間確實充滿快感,也體現了人類不斷挑戰自我超越自我的精神,但從另一個角度講,體育運動誕生至今,重在參與享受過程也是馳騁賽場的一大要義,世界紀錄終究只是幾個數字。

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