【電腦科技】設計新一代電腦晶片

作者|編譯|劉賢哲

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Nanomaterials arranged on a chip before being cut into their final forms at the SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Calif. Matt Beardsley/SLAC

加州帕羅奧圖市-1965年高登.摩爾(Gordon E Moore)預測,單一矽晶片的電晶體數量約每18個月成長一倍,但不久後評論家推斷「摩爾定律」(Moore’s Law)遲早會破滅。近來業界專家也警告,半導體業的發展逐漸減緩,摩爾博士的理論將走到盡頭。

若一如預測,電腦界將面臨巨變。個人電腦、音樂播放器與智慧型手機之所以能問世,與電晶體價格大幅滑落密不可分。現在指甲般大小的矽晶片可容納數百萬顆電晶體,一片最便宜只要幾美元。

但樂觀的科學家與工程師相信,摩爾定律並未破滅,而是與時俱進。他們認為,運用可「由下而上」排列的金屬、陶瓷、高分子、複合材料等新奈米材料,可能製造出接近分子大小的電路。

舉例來說,半導體設計師研發新的化學處理技術,讓材料在半導體晶片上形成奈米線的形狀,就可「自組」電路。加州聖荷西的IBM阿爾馬登研究中心(Almaden Research Center)科學技術主任錢德拉賽卡.納拉揚(Chandrasekhar Narayan)表示:「關鍵正是自組(self assembly),也就是借力使力完成工作,不能再靠蠻力。」

因此,半導體得跨入計算材料的世界。矽谷的科學家運用功能強大的新超級電腦模擬預測,引領半導體業走向新時代。雖然矽谷不再生產半導體晶片,但現今研發的新材料,可能在未來十年改變計算材料世界。

史丹佛大學物理學家張首晟近期帶領研究人員開發出新的錫合金,結合錫的拉丁文名稱(stannum)與石墨烯(graphene)的詞尾,將新材料命名為“stanene”,在室溫下即具備超導體的特性,目前已在德國、中國與加州大學洛杉磯分校實驗這種合金。他說:「各個時代都以材料命名,如石器時代、鐵器時代與當今的矽時代,因此材料對人類社會的重要性不言可喻。現在只要能預測材料,就能帶來劃時代的改變。」

另一方面,近期一份的報告顯示,2年後興建微處理器晶片生產廠房,費用約為80至100億美元,比現在高出兩倍多。2010年左右,成本將高達150至200億美元,相當於一個小國的GDP。這是相關研究不斷精進的主因,高額費用迫在眉睫,意味著晶片廠商承擔巨大的失敗風險。因此,研究人員捨棄所費不貲但成敗未定的傳統技術,將目光轉向新的自組材料。

去年12月,加州利佛摩(Livermore)桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)的研究人員在《科學》期刊發表研究,說明金屬-有機配位聚合物(metal-organic frameworks, MOFs)的研究進展。實驗室的化學家馬克.艾倫多夫(Mark D. Allendorf)表示,用傳統半導體不太可能改變材料行為。但MOFs問世後,他預測未來可以按照需求排列分子,開發具有特定行為的材料。他說:「桑迪亞的一項優勢,就是擁有大型的超級電腦,」可以直接進行測試。

此外,去年11月,SLAC國家加速器實驗室(SLAC National Accelerator Laboratory)的科學家在《物理評論通訊》(Physical Review Letters)發表研究結果。他們在錫原子中加入氟原子,創造出新的錫合金,在室溫下的導電效率為100%。不久以前,只有超導體在接近絕對零度的環境,才具備這麼高的導電效率。

上述的錫是「拓樸絕緣體」(topological insulators)的一種。拓樸絕緣體表面或邊緣的導電效率極高,但內部可以絕緣,最大的優點是很容易與現有製造晶片流程結合,提升未來製造半導體的速度,同時減少消耗的能源。

納拉揚博士表示,由下而上的自組技術問世後,可能不再需投資天價的新光刻機械,未來極可能以低成本讓電腦晶片容納更多電路。

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研究出處:"Designing the Next Wave of Computer Chips

譯者:劉賢哲 科教中心特約寫手,從事科普文章編譯。
責任編輯:Kerina Huang

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