硅芯片大限不远：碳纳米管将成下一代材料?

迟早有一天使用硅为材料制造日益变小的电路的极限将会到来，从而终结摩尔定律。碳纳米管技术可将半导体缩小至5纳米的极限。
北京时间2月21日消息，在未来十年左右的时间里，蚀刻在硅基电脑芯片上的电路预计就将变得小无可小，从而促使人们寻找替代品来取代硅基芯片的地位。在使用什么材料作为替代品的问题上，有些研究者正对碳纳米管寄予厚望。在本周一，斯坦福大学的一个研究团队成功地演示了一个简单的微电子电路，这个电路是由44个完全以丝状纤维制成的晶体管所组成的。
这个研究团队在旧金山展开的一次科技会议上展示了这个电路，这一技术进步是到目前为止最显著的证据，表明当如今的硅基芯片达到根本性的物理极限时，碳纳米管可能会成为一种未来的材料。
IBM是建议将碳纳米管应用于微电子领域中的最大支持者之一，这家公司已经明确表示，希望碳纳米管技术将在从现在算起的十年内准备就绪，届时预计半导体将缩小至仅为5纳米的极限最小尺寸。但到目前为止，各个大学和芯片厂商中的研究人员还只是成功地使用碳纳米管制造出了单独的器件，如晶体管等。而斯坦福大学所展示的这一技术进步则标志着一个完整的工作电路已被创造出来和公开演示，表明这种材料可能真的会达到人们的期望。
硅是一种普遍存在的自然元素，既可作为导体，也可作为绝缘体。与计算机工程师原本所预计的相比，这种材料被使用的时间长了数十年，原因是晶体管一代代日益变小，技术变得越来越完美化。在计算机芯片行业中，被用于蚀刻在电路上的这种材料已经变得比光波长还要细小，而且工程师和科学家们表示，硅材料还将继续缩小，至少在当前十年阶段的末期是这样。
但是，迟早有一天使用硅为材料制造日益变小的电路的极限将会到来，从而终结由摩尔定律所定义的微电子时代。这个定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的，其内容是当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数量大约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
斯坦福大学所取得的这项技术进步看起来为一种信念提供了支持，那就是无论硅时代在何时陷入“熄火”状态，日益缩小的工艺进程仍将继续下去，从而允许设计师在长远的未来继续提高电脑的功率和容量。在本周于旧金山召开的、 被业界称为“晶片奥林匹克”的年度国际固态电路大会(International Solid-State Circuits Conference)上，斯坦福大学的一名研究生走上一个临时搭建的讲台，选择了一只人手大小的木头手，连接上一个简单的发动机和齿轮装置，打开开关，然后这只木头手就充满活力地摇摆起来。
这是一次很简单的演示，但斯坦福大学的研究团队表示，他们的目标是要制造一个使用碳纳米管构成的完整的微处理器，从而肯定这种材料的潜力。除了尺寸很小以外，碳纳米管的其他优点包括能耗远低于如今使用的硅晶体管，开关速度也要更快。
“我们的结论是，系统层面上的节电将可提高一个数量级。”斯坦福大学电子工程学副教授、Robust Systems Group负责人Subhasish Mitra说道。他指出，这将令未来个人移动设备的电池寿命实现有效的增长。
其他新材料和硅基晶体管的变体也正处于研究过程中，以便检测它们是否将可缩小至更小的尺寸。举例来说，英特尔去年开始使用一种名为FinFET的3D晶体管，可令一个芯片的表面布满更加密集的晶体管。“我不会说没有其他材料可以使用。”斯坦福大学电子工程学教授菲利普·王(H.-S. Philip Wong)说道。“问题仅在于当尺寸缩小至极其微小的程度时，哪种材料将会胜出。”
就碳纳米管的形态而言，研究人员所面临的挑战是互相交织的微粒会组成一个庞大的“毛球”。不过，通过化学方式在石英表面上进行培育的方法，研究人员能够将其进行密切整齐的排列，然后转到一个硅片上，使用传统的光刻技术来制作工作电路。虽然只有比例很小的线路会出现排列不整齐的现象，但想要制造可靠的电路仍旧是一直以来研究人员所面临的技术障碍。
Mitra指出：“从PowerPoint幻灯片上看，99.5% 看起来都非常好;但当你所谈论的是100亿之多的微粒时，哪怕只是0.5%也是非常庞大的数字，会让一切都变得乱七八糟。”
据《科学》(Science)杂志2月1日刊的一篇文章称，除了微电子领域以外，碳纳米管还在许多商务领域中显示出很有前途的应用前景，例如可充电电池、船体、太阳能电池和滤水器等。