碳纳米晶体管性能已超硅晶体管 谁将成为下一代材料?
2016-09-07 10:02:39   来源:中国新闻网
内容摘要
如今半导体圈最棘手的事莫过于摩尔定律即将终结,研究人员不得不寻找硅材料的替代者来提升半导体的性能,而碳纳米管就被认为是最有可能取代硅的材料之一。

  近日,美国威斯康星大学麦迪逊分校已经在这一材料的研发上取得了跨越式的突破,该校的材料学家成功研制了1英寸大小碳纳米晶体管,并且首次在性能上同时超越了硅晶体管和砷化镓晶体管。

  顾名思义,碳纳米晶体管是由碳纳米管作为沟道导电材料制作而成的晶体管,其管壁只有一个原子厚,这种材料不仅导电性能好,而且体积能做到比现在的硅晶体管小100倍。另外,碳纳米晶体管的超小空间使得它能够快速改变流经它的电流方向,因此能达到5倍于硅晶体管的速度或能耗只有硅晶体管的1/5。

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  不过因为技术的瓶颈,过去很长一段时间研究人员都没能研制出性能优于硅晶体管和砷化镓晶体管的碳纳米晶体管,更不用奢望其应用在各类电子设备中。

  据了解,按照传统的做法,碳纳米管内通常会混杂一些金属纳米管,但是这些金属纳米管会造成电子装置短路,从而破坏碳纳米管的导电性能。威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员这次另辟蹊径,他们利用聚合物取代了几乎所有的金属纳米管,将金属纳米管的含量降到0.01%以下,这样的做法大大提升了导电性能。

  除此之外,该研究团队还在工艺上做出了改善,他们研发出的溶解方法成功移除碳纳米管制造过程中产生的残渣。

  威斯康星大学麦迪逊分校材料工程学教授迈克·阿诺德表示:“我们的研究同时克服了碳纳米管面临的多重障碍,最终获得了性能首超硅晶体管的1英寸碳纳米晶体管。碳纳米管的许多设想仍有待实现,但我们终于在二十年后实现了赶超。”

  那么问题来了,石墨烯和碳纳米管谁会成为下一代半导体材料?


【处理器发展至今 要出新的摩尔定律了?

? ? 根据近期发布的《2015国际半导体技术发展蓝图》,到2021年,芯片制造商将无法继续缩小晶体管的尺寸,电脑处理器上承载的晶体管数量将达到最大。

? ? 该报告预测,芯片制造商若垂直而非水平的排布晶体管将能获得性能提升。这种方法虽然理论上可行,却面临着不小的挑战,其中最值得注意的是散热问题。3D化的处理器要求低功率的设备具有良好的散热性能。

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? ? 《2015国际半导体技术发展蓝图》将是最后一份此类报告。过去20年中,国际半导体组织结成的联盟每年都会撰写一份这样的报告,这主要还是因为他们想用统一的方式推动半导体技术前进。但由于业界的参与越来越少,这份报告的实际意义越来越低。业界参与度低的原因之一是:芯片的需求不再由英特尔和三星这样生产商决定,转而由苹果和高通这样的消费商决定。

? ? 半导体产业研究机构的分析师Dan Hutcheson表示:“他们(芯片消费商)不想坐在一起协商他们的需求是什么。”

? ? 某种程度上,《国际半导体技术发展蓝图》将被电气与电子工程师协会(IEEE)发布的Rebooting Computing取代。去年秋天初版的Rebooting Computing也提到了处理器发展速度变缓,行业需要新技术出现的问题。

? ? 堆叠晶体管的技术虽然能突破摩尔定律,不过如果无法解决散热问题的话,这种技术的意义不大。光子计算也是一种可能性,但它的未来难以预测。


【比尔·盖茨:摩尔定律并非适用于所有科技领域

? ? 比尔·盖茨(Bill Gates)上周表示,摩尔定律称芯片性能呈指数增长,该定律很好,但并不适用于所有科技领域。盖茨在上周召开的技术峰会上回答听众问题时说:“IT模式令我们都很受伤、很困惑。指数增长领域只是凤毛麟角。”

? ? 盖茨指出,只有独立的技术领域会遵循指数增长的摩尔定律。盖茨说:“我们确实看到指数增长现象,在硬盘存储、光纤容量、基因排序、生物学数据库和模型软件改进领域确实存在一些指数增长现象。”

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? ? 但在其它领域,尤其是能源领域并未发生指数改变。盖茨援引作家瓦茨拉夫·史密尔(Vaclav Smil)的文章称,假如托马斯·爱迪生(Thomas Edison)转世,他会对电池和灯泡并未获得太大改进而感到惊奇。

? ? 盖茨指出,尤其是提高电池性能将是我们面临的一个很棘手的挑战。盖茨说:“电池性能几乎未获得改进,其中存在很大的物理限制。我曾投资5家电池创业公司,提高电池性能是一个很棘手的问题,目前还没有发现一个很经济的解决方案。”


【世界纪录的“摩尔定律”何时能破?

  里约奥运会田径比赛开赛仅四天,三项世界纪录已经被打破。世界纪录经历“里约滑铁卢”让人不禁好奇:“更快、更高、更强”有没有终点?人类的极限究竟在哪里?

  用“风雨飘摇”来形容里约奥运会上的世界纪录一点不为过。以田径为例,由中国名将王军霞创造的女子万米世界纪录沉睡了23年,来自埃塞俄比亚的阿亚娜一下子就将其提高了14秒多。美国名将迈克尔·约翰逊男子400米世界纪录也被南非人范尼凯克提高到43秒03,约翰逊创造这个纪录还是17年前。随后的比赛里,波兰选手沃达尔奇克打破了女子链球世界纪录。

  里约奥运会的泳池中、举重赛场上,选手打破的世界纪录更是让人应接不暇。可其实如果在更长的时间单位上来考量这些世界纪录,整体上世界纪录被破的数量和幅度都是在放缓的。一个世纪前男子百米纪录就已经达到了10秒6,到如今仅提高了一秒左右。

  但不论局部的快还是整体的慢,人类的身体机能终究是有极限的,即便是经过了这么久的进化,血肉之躯依然有着能力边界。仍以男子百米为例,科学研究显示,距离目前人类这种身体结构所能达到的极限,也就剩下零点几秒的提升空间。

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? ? 人类运动成绩的提高与计算机芯片的发展有几分类似。芯片产业界元老戈登·摩尔在1965年提出:芯片的性能每约两年就会翻一番,这被称作“摩尔定律”,该定律在过去半个世纪中一直有效。今天的电脑,性能不但远胜祖宗“埃尼亚克”,也超过了20年前的超级计算机“深蓝”。

?  然而“摩尔定律”近年来疲态尽显,芯片的工艺已经逐渐接近硅晶芯片原子极限,一堵“墙”就在前方,怎么办?调整架构、发力多核……各种各样的方法被提出,以避免“撞墙”,量子计算机等新技术也被寄予厚望能绕过这堵“墙”。

  可回望人类自己,我们几乎没有退路,在可以预见的未来,几百年后,第N届奥运会上,很有可能一个世界纪录也打破不了,媒体报道甚至或许会出现“沉睡百年的男子百米世界纪录”这样的语句。

  诚然,打破世界纪录的瞬间确实充满快感,也体现了人类不断挑战自我超越自我的精神,但从另一个角度讲,体育运动诞生至今,重在参与享受过程也是驰骋赛场的一大要义,世界纪录终究只是几个数字。

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