摩尔定律消退后 计算机行业将如何发展？

　　摩尔定律的下一步

　　很显然，传统的芯片设计方案已经到达了瓶颈。要找到下一代芯片，会需要两个广泛的变化。

　　1、晶体管的设计必须从根本改变;

　　2、行业必须找到硅的替代品，因为它的电学属性已经被推到了极限。

　　一、根本改变芯片设计

　　(1)第三个维度

　　针对这个问题，一个解决方案是重新设计隧道和栅极。按照惯例，晶体管一直是平面的，但自从 2012 年之后，英特尔给产品增加了第三个维度。要启用它来生产出只有 22 纳米距离的芯片，它切换到了被称为 “finFETch” 的晶体管。这个产品让一个通道在芯片表面竖起来，栅极围绕着该通道三个裸露的方向(第二张图)，这使得它能够更好的处理发生在隧道内部的任务。这些新的晶体管做起来比较棘手，但相比过去相同尺寸的版本，要快 37%，而且仅仅消耗一半的电量。

　　(2)Gate-All-Around

　　下一个逻辑步骤，Argonne 国家实验室的 Snir 先生说，是周围栅极(Gate-All-Around)的晶体管，它的通道被四面的栅极环绕。这能提供最大的控制，但它给制造过程增加了额外的步骤，因为栅极必须在多个部分分别构建。大的芯片制造公司，例如三星曾经表示，它可能会使用周围栅极的晶体管来制造 5 纳米分离的芯片，三星以及其他的制造商，希望能做 2020 年代前期达到这个阶段。

　　(3)量子隧穿效应

　　除此之外需要更多外部的解决方案。一种想法是利用量子隧穿效应，这对于传统的晶体管来说是很大的烦恼，而当晶体管缩小的时候，事情也总会变得糟糕。这是有可能的，通过施加电场，以控制隧道效应发生的速率。低泄漏率对应状态 0，高泄漏率对应 1。第一个实验隧道晶体管由 IBM 的团队在 2004 年展示。从那之后，研究人员一直致力于商业化。

　　2015 年，美国加州大学一个由 Kaustav Banerjee 领导的研究小组，在 Nature 上发表了一篇文章，他们已经建立了一个隧道晶体管，工作电压只有 0.1，要远远小于比目前正在使用的 0.7V，这意味着更少的热量。但是在隧道晶体管变得可用之前，还有更多的工作需要完成。ARM 的微芯片设计师 Greg Yeric 说道：“目前它们在打开和关闭开关的速度还不够快，不足以让它们在快速的芯片中使用。Jim Greer 和他在爱尔兰 Tyndall 研究院的同事提出了另一个思路，它们的设备被称为无连接纳米线晶体管(JNT)，旨在帮助解决小尺度制作的问题：让掺杂做的足够好。“这些天你正在谈论半导体掺小量的硅杂质，然后会很快来到这个点，即便是一个或两个杂质原子的错误位置，都会激烈的影响晶体管的表现。” Greer 博士说道

　　相反，他和他的同事提出建立自己的 JNTs，距离一种一致掺杂的硅，只有 3 纳米的跨越。通常来说，这会导致一条电线，而不是一个开关：一个有着均匀导电能力的设备，而且不会被关闭。但是在这种微小的尺度下，栅极的电子影响能够刚好穿透电线，所以单独的栅极能够防止，在晶体管关闭的时候进行电流流动。

　　传统晶体管的工作原理是，在原本彼此隔离的源极和漏极之间搭建电桥。Greer 博士的设备以其他的方式工作：更像一个软管，栅极充当着避免电流流动。“这是真正的纳米技术，” 他说：“我们的设备只能在这个尺度上工作，而最大的好处是，你不需要担心制造这些繁琐的结点。”

　　二、寻找硅的替代品

　　摩尔定律的黄昏与计算行业的黎明芯片制造商也在用超越硅的材料进行试验。去年，一个包括了三星、Gobal Foundries、IBM 和纽约州立大学的研究联盟，公布了一个 7 纳米的微芯片，这个技术被在 2018 年以前，并不被期待来到消费者的手中。它使用了和上一代发布的 FinFET 相同的设计，做了轻微的修改，但尽管大多数的设备都是从通常的硅制作完成的，其晶体管大约一半都是由硅 - 锗(SiGe)合金制成的隧道。

　　(4)硅 - 锗(SiGe)合金

　　选择了这种设计，是因为在某些方面，这是比硅更好的导体。再一次，这意味着更低的功率使用，并且允许晶体管更快的打开和关闭，提升芯片的速度。但这不是万能药，IBM 物理科学部门的负责人 Heike Riel 说。现代芯片从两种晶体管构建，一个被设计为传导电子，带着负电荷。其他种类被设计来导入 “洞” 里，这会放置在可能、但意外没有包含电子的半导体中。这些的出现，表现的就像它们带有正电荷的电子。并且，虽然硅锗擅长输送 “洞穴”，但相比硅来说，它不是很擅长移动电子。

　　沿着这些线路到更高性能的表现，未来的路径可能需要同时把硅锗和其他混合物，让电子能比硅制材料中更好的移动。拥有最好电学性能的材料是一些合金，例如铟，镓和砷化，在元素周期表中统称为 III-V 材料。

　　麻烦的是，这些材料很难和硅进行融合。它们晶格中原子之间的间隔距离，和硅原子之间有很大的不同。所以将它们的一层增加到硅基片中，从中所有芯片的制作都会导致压力，这会带来芯片断裂的压力。

　　(5)石墨烯

　　最著名的替代方法是石墨烯，它是单原子厚的碳形式(二维)。石墨烯在操作电子和空穴的时候表现的非常好，但难点在于如何使它停止下来。研究人员一直试图通过掺杂、压碎、挤压石墨烯，或者使用电场来改变电学的性能。现在已经有了一些进展：曼彻斯特大学 2008 年报告了一个正在工作的石墨烯晶体管;加州大学 Guanxiong Liu 带领的研究小组，2013 年使用了一种有 “负电阻” 特性的材料以制作设备。但对石墨烯真正的影响，Yeric 博士说道，是刺激对其他二维材料的兴趣。“石墨烯是一个打开的盒子，” 他说道：“我们现在正在寻找像二硫化钼的物质，或黑色磷、磷硼的混合物。” 重要的是，所有的这些都像硅一样，可以很容易打开和关闭。

　　如果一切都按照计划进行，Yeric 博士说，新型的晶体管设计和新材料，可能让事情在 5 年或 6 年里还滴答作响，到了那个时候可能会有 5 纳米的晶体管。但除此之外，“我们已经用尽了一切方法，避开真正根本性的需求。”