當硅芯片遭遇物理極限時，科學家將目光轉(zhuǎn)向了碳納米管。 　　在位于紐約Yorktown Heights的一間燈光昏暗的實驗室中，工作臺上到處都是隧道掃描顯微鏡、原子力探測器、其它用于顯示分子世界奧妙的設(shè)備，這就是IBM公司的托馬斯-沃森研究院。在這里，菲登和他的同事正在利用這些工具征服納米技術(shù)世界的“珠穆朗瑪峰”：他們正在研究如何將碳原子“編織”為一個晶體管。 　　菲登的目標是提高芯片的時鐘頻率。自半導體產(chǎn)業(yè)在半個世紀前誕生以來，計算機廠商一直依賴芯片廠商在踏著摩爾定律的腳步前進：即每18個月將系統(tǒng)的速度翻一番。通過將更多的晶體管集成在日益減小的芯片上，芯片廠商做到了這一點兒。晶體管越小，它的速度也就越快，但芯片的發(fā)熱量也就越大，芯片的制造也越復雜。隨著未來10年內(nèi)芯片的制造工藝由0.09微米發(fā)展到0.02微米或0.01微米，熱量、成本、不可逾越的物理極限可能使得硅在芯片制造中沒有立錐之地。如果芯片產(chǎn)業(yè)不能找到替代型材料，摩爾定律將停滯不前。 　　有效的替代方案 　　這一問題已經(jīng)在給我們敲響警鐘。目前，速度最快的PC芯片足以煮熟雞蛋。如果不采取措施，到2010年芯片的發(fā)熱量將能夠使金屬熔化。這不僅僅是能源的浪費━━目前速度最快的PC芯片一半兒的能耗都被轉(zhuǎn)化為熱量浪費了，還可能降低芯片的速度，甚至損壞芯片。由于生產(chǎn)過程日益復雜，建造芯片工廠的成本將由目前的20億美元提高到2010年的100億美元。 　　在IBM、英飛凌、NEC，以及許多新創(chuàng)辦芯片廠商的實驗室中，最可能取代硅的是碳納米管。這種微小的結(jié)構(gòu)━━10萬個碳納米管疊在一起的厚度也只跟一根頭發(fā)的厚度相當，它能夠使芯片的運行速度更快，能耗更低，集成度更高，而且能夠大幅度簡化芯片生產(chǎn)過程。 　　菲登表示，這樣的晶體管也只是在它的初級發(fā)展階段。他說，碳納米管能夠解決目前硅芯片遇到的大多數(shù)問題。他在實驗室中已經(jīng)取得了一定的成功，他用了4年的時間完成了第三代碳納米晶體管原型產(chǎn)品的生產(chǎn)。最終，它通過的電流量將達到當前硅芯片的1000倍，極大地提高芯片的運行效率。 　　碳納米管本身并不簡單。通過改變碳原子團的幾何形狀，研究人員能夠使它們導電或不導電，這也是它能夠通過很高的電流而發(fā)熱量很小的一個原因。英特爾公司負責科技戰(zhàn)略的主管加吉尼說，混合具有不同導電特性的碳納米管，能夠簡單未來芯片的設(shè)計。目前，制造芯片所需要的許多化學材料和生產(chǎn)過程將不再需要。 　　碳納米管的優(yōu)點還不止在電方面。除了是極好的導熱材料外，碳納米管的強度是鋼鐵的10倍，還不怕輻射。這一點非常重要，因為隨著芯片越來越小，它就越來越可能因受到太陽光中高能粒子流的照射而損壞。AMD公司負責技術(shù)發(fā)展的副總裁克萊格說，在取代硅晶體管成為芯片的核心前，硅納米管將首先被應(yīng)用為芯片的結(jié)構(gòu)層。 　　物理學極限 　　從實驗室走向生產(chǎn)工廠，碳納米管還面臨著巨大的挑戰(zhàn)。杜邦公司的納米技術(shù)研究員提姆表示，現(xiàn)在的生產(chǎn)技術(shù)能生產(chǎn)出30多種碳納米管。碳納米技術(shù)公司正在努力改進生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)更多的最為需要的碳納米管。杜邦公司正在開發(fā)能夠根據(jù)大小和導電性篩選碳納米管的工具。 　　即使能夠可靠地生產(chǎn)出所需要的碳納米管，擴大生產(chǎn)規(guī)模，滿足市場需求也需要數(shù)年的時間。IBM、英飛凌的研究人員已經(jīng)制造出導電性遠遠超過硅的碳納米管晶體管。但上前功能最強大的處理器集成有10億個晶體管。加吉尼表示，科學家還沒有找到能夠與目前的制造工藝的效率相當?shù)奶技{米管制造工藝。 　　沒有爭議的是，現(xiàn)有的硅芯片制造工藝已經(jīng)遇到了麻煩。芯片的工作原理與橡膠水管非常相似：當水管變細時，就必須增加水的壓力，以便能夠通過相同的水量。同樣，芯片廠商必須提高電壓，使更細的電路能夠通過更多的電流。同時，芯片也越來越“漏”了，就象是帶有小孔的橡膠水管。芯片的絕緣層只有很少的原子來防止電流泄露。 　　其它問題也浮出了水平。隨著芯片制造工藝的發(fā)展，芯片中個別晶體管的缺陷也越來越明顯了。2003年生產(chǎn)的Pentium 3芯片采用了0.18微米工藝，20納米的缺陷不會引起什么問題。但在當今的0.09微米工藝中，這樣的缺陷會使芯片報廢。 　　另外，物理極限也抬高了新一代芯片制造工廠的成本。英飛凌在里士滿的內(nèi)存芯片工廠顯示出了令人驚愕的復雜性和高成本，相當于4個足球場大小的這座工廠耗資20億美元。在這座工廠內(nèi)，基本上全部實現(xiàn)了自動化，數(shù)周都不需要人工干預。芯片的生產(chǎn)需要數(shù)百個過程，通過自動生產(chǎn)線經(jīng)過數(shù)十臺價值數(shù)百萬美元計的設(shè)備的處理。在下線前，芯片要在生產(chǎn)線上“旅游”數(shù)英里，耗時2、3個月。 　　要取代如此復雜的生產(chǎn)線是很困難的。目前，芯片的質(zhì)量很高，廠商設(shè)計了許多方法來解決發(fā)熱等問題，例如設(shè)計更好的架構(gòu)。AMD、IBM、英特爾和其它廠商都在生產(chǎn)多內(nèi)核芯片。 　　無論基于碳納米管的芯片還需要10年或者20年才能夠問世，專家們一致同意，過渡將是漸進性的。他們預計首先會出現(xiàn)硅-碳納米管混合設(shè)計。由于在硅芯片的設(shè)計、生產(chǎn)上已經(jīng)有了50年的經(jīng)驗、在研發(fā)上投入了數(shù)千億美元，芯片廠商希望能夠增強現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)，而不是立刻采用顛覆性的技術(shù)。半導體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的總裁喬治表示，過渡必將是漸進性的。 　　硅-碳混合材料將是這一趨勢的一部分。Nantero正在與LSI邏輯公司聯(lián)合攻關(guān)，利用現(xiàn)有的硅生產(chǎn)工藝生產(chǎn)碳納米管RAM芯片。在速度和存儲密度方面，硅-碳RAM芯片與當前計算機中使用的RAM內(nèi)存芯片相當，但能夠在沒有電源的情況下保存數(shù)據(jù)。使用這類RAM芯片，計算機能夠在瞬間啟動起來。 　　Nantero期望這類RAM芯片的性能會有大幅度提高，但其它廠商則持懷疑態(tài)度，并指出，即使要再取得很小的進步，也許還需要10年的時間。目前最大的進展是，芯片產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開始探索新的生產(chǎn)工藝了。