硅遭遇物理极限 碳纳米管将取代硅

　　当硅芯片遭遇物理极限时，科学家将目光转向了碳纳米管。

　　在位于纽约Yorktown Heights的一间灯光昏暗的实验室中，工作台上到处都是隧道扫描显微镜、原子力探测器、其它用于显示分子世界奥妙的设备，这就是IBM公司的托马斯-沃森研究院。在这里，菲登和他的同事正在利用这些工具征服纳米技术世界的“珠穆朗玛峰”：他们正在研究如何将碳原子“编织”为一个晶体管。

　　菲登的目标是提高芯片的时钟频率。自半导体产业在半个世纪前诞生以来，计算机厂商一直依赖芯片厂商在踏着摩尔定律的脚步前进：即每18个月将系统的速度翻一番。通过将更多的晶体管集成在日益减小的芯片上，芯片厂商做到了这一点儿。晶体管越小，它的速度也就越快，但芯片的发热量也就越大，芯片的制造也越复杂。随着未来10年内芯片的制造工艺由0.09微米发展到0.02微米或0.01微米，热量、成本、不可逾越的物理极限可能使得硅在芯片制造中没有立锥之地。如果芯片产业不能找到替代型材料，摩尔定律将停滞不前。

　　有效的替代方案

　　这一问题已经在给我们敲响警钟。目前，速度最快的PC芯片足以煮熟鸡蛋。如果不采取措施，到2010年芯片的发热量将能够使金属熔化。这不仅仅是能源的浪费━━目前速度最快的PC芯片一半儿的能耗都被转化为热量浪费了，还可能降低芯片的速度，甚至损坏芯片。由于生产过程日益复杂，建造芯片工厂的成本将由目前的20亿美元提高到2010年的100亿美元。

　　在IBM、英飞凌、NEC，以及许多新创办芯片厂商的实验室中，最可能取代硅的是碳纳米管。这种微小的结构━━10万个碳纳米管叠在一起的厚度也只跟一根头发的厚度相当，它能够使芯片的运行速度更快，能耗更低，集成度更高，而且能够大幅度简化芯片生产过程。

　　菲登表示，这样的晶体管也只是在它的初级发展阶段。他说，碳纳米管能够解决目前硅芯片遇到的大多数问题。他在实验室中已经取得了一定的成功，他用了4年的时间完成了第三代碳纳米晶体管原型产品的生产。最终，它通过的电流量将达到当前硅芯片的1000倍，极大地提高芯片的运行效率。

　　碳纳米管本身并不简单。通过改变碳原子团的几何形状，研究人员能够使它们导电或不导电，这也是它能够通过很高的电流而发热量很小的一个原因。英特尔公司负责科技战略的主管加吉尼说，混合具有不同导电特性的碳纳米管，能够简单未来芯片的设计。目前，制造芯片所需要的许多化学材料和生产过程将不再需要。

　　碳纳米管的优点还不止在电方面。除了是极好的导热材料外，碳纳米管的强度是钢铁的10倍，还不怕辐射。这一点非常重要，因为随着芯片越来越小，它就越来越可能因受到太阳光中高能粒子流的照射而损坏。AMD公司负责技术发展的副总裁克莱格说，在取代硅晶体管成为芯片的核心前，硅纳米管将首先被应用为芯片的结构层。

　　物理学极限

　　从实验室走向生产工厂，碳纳米管还面临着巨大的挑战。杜邦公司的纳米技术研究员提姆表示，现在的生产技术能生产出30多种碳纳米管。碳纳米技术公司正在努力改进生产技术，生产更多的最为需要的碳纳米管。杜邦公司正在开发能够根据大小和导电性筛选碳纳米管的工具。

　　即使能够可靠地生产出所需要的碳纳米管，扩大生产规模，满足市场需求也需要数年的时间。IBM、英飞凌的研究人员已经制造出导电性远远超过硅的碳纳米管晶体管。但上前功能最强大的处理器集成有10亿个晶体管。加吉尼表示，科学家还没有找到能够与目前的制造工艺的效率相当的碳纳米管制造工艺。

　　没有争议的是，现有的硅芯片制造工艺已经遇到了麻烦。芯片的工作原理与橡胶水管非常相似：当水管变细时，就必须增加水的压力，以便能够通过相同的水量。同样，芯片厂商必须提高电压，使更细的电路能够通过更多的电流。同时，芯片也越来越“漏”了，就象是带有小孔的橡胶水管。芯片的绝缘层只有很少的原子来防止电流泄露。

　　其它问题也浮出了水平。随着芯片制造工艺的发展，芯片中个别晶体管的缺陷也越来越明显了。2003年生产的Pentium 3芯片采用了0.18微米工艺，20纳米的缺陷不会引起什么问题。但在当今的0.09微米工艺中，这样的缺陷会使芯片报废。

　　另外，物理极限也抬高了新一代芯片制造工厂的成本。英飞凌在里士满的内存芯片工厂显示出了令人惊愕的复杂性和高成本，相当于4个足球场大小的这座工厂耗资20亿美元。在这座工厂内，基本上全部实现了自动化，数周都不需要人工干预。芯片的生产需要数百个过程，通过自动生产线经过数十台价值数百万美元计的设备的处理。在下线前，芯片要在生产线上“旅游”数英里，耗时2、3个月。

　　要取代如此复杂的生产线是很困难的。目前，芯片的质量很高，厂商设计了许多方法来解决发热等问题，例如设计更好的架构。AMD、IBM、英特尔和其它厂商都在生产多内核芯片。

　　无论基于碳纳米管的芯片还需要10年或者20年才能够问世，专家们一致同意，过渡将是渐进性的。他们预计首先会出现硅-碳纳米管混合设计。由于在硅芯片的设计、生产上已经有了50年的经验、在研发上投入了数千亿美元，芯片厂商希望能够增强现有的生产技术，而不是立刻采用颠覆性的技术。半导体产业联盟的总裁乔治表示，过渡必将是渐进性的。

　　硅-碳混合材料将是这一趋势的一部分。Nantero正在与LSI逻辑公司联合攻关，利用现有的硅生产工艺生产碳纳米管RAM芯片。在速度和存储密度方面，硅-碳RAM芯片与当前计算机中使用的RAM内存芯片相当，但能够在没有电源的情况下保存数据。使用这类RAM芯片，计算机能够在瞬间启动起来。

　　Nantero期望这类RAM芯片的性能会有大幅度提高，但其它厂商则持怀疑态度，并指出，即使要再取得很小的进步，也许还需要10年的时间。目前最大的进展是，芯片产业已经开始探索新的生产工艺了。