“摩尔定律”接近物理极限 未来属于光子芯片?

 “预计芯片中集成晶体管的数量 24 个月会提高一倍。”——相信大家对英特尔联合创始人戈登摩尔提出的“摩尔定律”并不陌生。在过去的四十年里，IT 行业一直受这一定律的驱动。不过近年来随着传统电子芯片发展速度的放缓，“摩尔定律”正逐渐走向历史。未来，基于光子技术的新型芯片，或将打破电路元件的限制，建造出运算速度更快的计算机。

“摩尔定律”已接近物理极限

众所周知，在过去的几十年里计算机行业的发展始终遵循着“摩尔定律”——半导体电路晶体管的体积越来越小，单个芯片上可容纳的晶体管数变得越多，并呈每 18 到 24 个月翻一番的速度在迭代增长。而晶体管数量的增多意味着处理器的速度越快、效率越高——也就是说，同样价格电子产品的性能，时隔 18 到 24 个月就会翻倍。

因此为了能在高速发展的 IT 行业立足，芯片制造商一直致力于研发更小的晶体管。目前晶体管的体积已经从 1907 的 100 毫米跃升至今天的 14 纳米。而去年 10 月美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究团队更进一步，成功研发出栅极(晶体管内控制电流的部件)仅长 1 纳米的晶体管——比一条 DNA 链还小(2.5 纳米)。

不过随着芯片技术的不断发展，“摩尔定律”也逐渐遇到了物理法则的限制，自进入 21 世纪以来，出现了“放缓”的迹象。目前，晶体管的体积已经达到纳米级别，继续缩小的可能性正逐渐变小，“摩尔定律”所欲言的发展轨迹似乎已逼近极限。

事实上，芯片界也意识到晶体管尺寸接近下限这一现实。去年以英特尔、AMD 和 Global Foundries 为代表的美国半导体工业协会发表报告称，到 2021 年，硅晶体管尺寸的缩小将不再是一件经济可行的事情。取而代之，芯片将以另一种方式发生改变。

基于光子学的新型芯片或将打破这一僵局

近来，研发人员将目光从增加晶体管数量逐渐转移至提升晶体管效率上，希望建造出信息处理效率更高的新型芯片。“与光子学结合的芯片技术，将成为电子行业的未来。”——以密西根大学材料学家 Arnab Hazari 为代表的科学家表示。

目前，晶体管依赖于电子移动来实现信息传递。而在芯片中由于光子不受电磁阻力等的影响，所以其传播速度比电子快，可达二十倍以上。这意味着如果将半导体通路中的电子信号替换为光子，则芯片在不改变大小的情况下，计算机运算速度也能加快数十倍——如果按“摩尔定律”的逻辑，实现这一目标需耗费十几年以上的时间。

而近年来科学家们在光子芯片研究中的突破也证实了这一方案的可行性。2015 年年末，来自美国的研究团队开发出全球首款利用激光来进行数据传输的光子芯片。该款芯片每平方毫米的信息处理速度达 300Gbps，比现有标准处理器快 10 倍。这表明，光子芯片在提升计算机运算速率上具有巨大的潜力。

此外不少公司也抓住了这个转变的机遇，纷纷加入新技术研发的“战局”。如英国公司 Optalysys 正研发基于光子技术的、专用于处理基因组数据的高性能电脑;而法国公司 LightOn 则致力于开发以激光技术为基础的数据处理系统。

不过光子芯片的研发现仍处于初级阶段。若要正式落地，真正走向商业化，研发人员还面临着不少挑战——如何将新型光子芯片与现有计算机的电子通路更好地结合，如何实现更稳定的光子控制技术等。

Arnab Hazari 总结道，虽然与已经发展了几十年的电子芯片相比，光子设备现阶段所能执行的任务较少。但随着研究的深入，光子芯片将很快赶上传统芯片的速度，成为新生代计算机的核心技术。