為了不讓摩爾定律失效，我們該如何設計下一代芯片？

1965年，Intel創(chuàng)始人GordonE.Moore提出“摩爾定律”，即“集成電路上可容納的晶體管數(shù)目大約每隔18個月便會增加1倍，性能也增加1倍”，換言之相同性能的計算機等產品每隔18個月價格會降一半，而49年來這一定律也一直維持有效，主導著IT行業(yè)的計算機產品性能的發(fā)展規(guī)律。

但當49年過去，開始有科學家提出摩爾定律即將失效——因為要使摩爾定律繼續(xù)有效要求復雜的制造工藝，該工藝高昂的成本超過了由此帶來的成本節(jié)約，在更高的速度、更低的能耗和更低的成本三個因素中，芯片廠商只可選擇其二。雖然制造工藝未來還有提升空間，但也將在15年后達到極限。

如果這一失效預測成真，整個IT產業(yè)都受到深遠的影響，畢竟能將幾十億的晶體管集成到指甲大小的芯片上，并且只需區(qū)區(qū)幾美元的價格，正是個人計算機、音樂播放器和智能手機得以蓬勃發(fā)展且不斷更新?lián)Q代的根源。（關于這一點可以看看“反摩爾定律”）

不過，樂觀的科學家和工程師們會告訴你：摩爾定律并未死亡，它只是正在進化。他們認為使用一種新型的納米材料可以使集成電路的大小與單分子大小相當，因此使摩爾定律繼續(xù)生效。

那么這種新型的納米材料會是什么樣子的呢？一些半導體設計者正試圖通過化學方法來使原始材料自行遵循一種半導體芯片上導線排列的模式，從而制造出一種可自行組裝（selfassemble）的集成電路?？茖W家們相信將此種模式和納米線、傳統(tǒng)的芯片制造工藝結合在一起，將產生新一代的計算機芯片，使未來芯片的制造成本仍可以按摩爾定律所述的規(guī)律保持下降。

“這其中的關鍵點正在于‘自行組裝’（selfassembly），”IBMAlmaden研究中心的科學技術主管ChandrasekharNarayan如是說：“現(xiàn)在我們得學會利用自然規(guī)律來為我們工作了，強行的外力干涉不再行得通，我們應當讓事物本身來決定自身的演進?！?/p>

如果一切如Chandrasekhar所說，那么半導體制造工業(yè)就將從“硅材料”轉而走向新式的“計算材料”，而硅谷的研究人員們正用超級計算機來嘗試達成他們的設想。當這塊土地不再生產半導體芯片轉而生產新型的材料時，或許它將擁有了主導計算世界下一個10年的能力。

正如最近在研發(fā)一種于室溫環(huán)境下也能擁有超導體性能的錫合金的斯坦福大學物理學家ShouchengZhang說道：“材料對我們人類社會來說尤為重要，人類社會的每一個紀元都是以材料的名稱來命名的，好比我們有過石器時代、鐵器時代，而我們正在經歷的則是硅時代。但是在過去，這些新材料的發(fā)現(xiàn)全部都是偶然的、不可知的，可一旦我們擁有了預知新材料的能力，變革的發(fā)生就在眼前?！?/p>

至于什么是推進這些研究進展的根本原因？或許經濟利益是其中很重要的因素之一，因為要使摩爾定律繼續(xù)有效所需要的下一代工廠建設費用已經讓半導體制造商們大跌眼鏡了——根據(jù)Gartner的一份報告顯示，兩年以后制造微處理器芯片的新型工廠建設費用將達到80億至100億美元，幾乎是現(xiàn)有費用的2倍以上。而這一費用在未來10年間還很可能增長到150億至200億美元之間，相當于一個小國家的GDP。這一規(guī)律在芯片制造工業(yè)中被稱為“第二摩爾定律”（Moore'sSecondLaw）。

因此與其在昂貴的傳統(tǒng)技術上加大投入，并且這種技術不知何時就會被淘汰，研究者們更愿意將未來的賭注押在新型材料上。

2013年12月，一份科學研究論文描述了一種新式的“有機金屬結構”材料（metal-organicframeworks，MOFs），這是一種金屬離子和有機分子形成的晶體，并且已被模擬運行在高性能計算機上，實驗證明它可以有效運轉，被運用到太陽能光伏、傳感器或者電子材料當中。

Sandia的化學家MarkD.Allendorf說：利用傳統(tǒng)的半導體我們幾乎無法改變材料的性能，但是未來我們卻可以通過MOFs來實現(xiàn)這一點，因為MOFs當中的分子可以被用于精確地生成具有某種性能的材料。

還有一種可被稱作新材料典范的材料是“topologicalinsulators”（拓撲絕緣體），這種材料的表面或者邊緣具有高傳導性，但其內部卻是完全絕緣的。而這些材料的一大優(yōu)勢是它們可以很容易地被整合到如今的芯片制造流程中，以提高生產速度同時降低下一代半導體生產的能耗。

不過，研究人員稱這些理論上的預測仍待檢驗。通過計算材料形成的變革來找到下一代計算機芯片的廉價生產技術通路，是目前所有人的期盼與賭注。