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未来芯片靠什么?一场超越硅的竞赛开始了

2019-06-10来源: 半导体行业观察关键字:冷计算  化合物半导体  

如果我们的电子产品想要变得更小更快,就需要技术上的进步。


图片来源:英特尔


我们生活在一个由计算机电路驱动的世界。现代生活依赖于半导体芯片和硅基集成电路上的晶体管,它们可以开关电子信号。大多数晶体管使用丰富而廉价的硅元素,因为它既可以阻止也可以允许电流流动,它既是绝缘体又是半导体。


直到最近,挤压在硅芯片上的微型晶体管每年的体积都缩小一半。它造就了现代数字时代,但这个时代即将结束。随着物联网、人工智能、机器人技术、自动驾驶汽车、5G和6G手机这些计算密集型工作的问世,科技的未来岌岌可危。那么接下来会发生什么呢?


什么是摩尔定律?


摩尔定律是计算能力的指数增长。早在1965年,英特尔联合创始人戈登·摩尔就观察到,一英寸计算机芯片上的晶体管数量每年翻一番,而成本则减半。现在,这个时间是18个月,而且越来越长。事实上,摩尔定律不是定律,只是一个为芯片制造商工作的人的观察结果,但增长的时间意味着未来的密集计算应用可能受到威胁。


一部智能手机包含超过2000亿个晶体管。资料来源:CC0 Creative Commons


摩尔定律已死?


没有,但是速度太慢了,硅芯片需要帮助。英国半导体应用公司Catapult的首席执行官Stephen Doran说:“在越来越多的需要提高速度、减少延迟和光检测的应用中,硅正在达到其性能的极限。”


然而,他认为现在谈论硅的替代物还为时过早。他补充称:“这意味着硅将被完全取代,这在短期内不太可能发生,很可能永远不会发生。”


Imagination Technologies营销传播副总裁David Harold表示:“至少在2025年之前,摩尔定律式的业绩提升仍有潜力。直到20世纪40年代,硅仍将主导芯片市场。”


计算机的第二个时代即将到来


仔细研究硅晶体管问题非常重要;作为一个概念,它并没有“死亡”,但是它已经超过了它的顶峰。Rambus内存和接口部门首席科学家Craig Hampel表示:“摩尔定律专门指的是由半导体制造的集成电路的性能,而且只记录了过去50多年的计算。”


这场超越硅的竞赛正在进行。 图片来源:英特尔


“人类对计算需求的增长趋势可追溯到算盘、机械计算器和真空管,并可能远远超出半导体(如硅),包括超导体和量子力学。”


超越硅是一个问题,因为未来的计算设备将需要更加强大和灵活。Harold说:“日益增加的计算问题是,未来的系统将需要学习和适应新的信息。它们必须‘像大脑一样’。再加上芯片制造技术的转型,它们将为计算创造革命性的第二个时代。”


什么是冷计算?


一些研究人员正在研究用更少的能量获得高性能计算机的新方法。“数据中心或超级计算机的冷运行可以带来显著的性能、功耗和成本优势。”Hampel说。


微软的Natick项目就是一个例子,作为该项目的一部分,一个巨大的数据中心沉入了苏格兰奥克尼群岛海岸,但这只是一小步。进一步降低温度意味着漏电流更少,晶体管开关的阈值电压更低。


作为Natick项目的一部分,微软在大西洋沉入了一个数据中心。 图片来源:微软


Hampel说:“它减少了延伸摩尔定律的一些挑战。”他补充说,对于这些类型的系统来说,自然的操作温度是77K(-270℃)的液氮。“大气中含有丰富的氮,以液态形式收集相对便宜,而且是一种有效的冷却介质。我们希望,在内存性能和功耗方面,或许能再延长4~10年的时间。”


什么是化合物半导体?


下一代半导体由两种或两种以上的元素组成,这些元素的特性使它们比硅更快、效率更高。这是“机会”,它们已经在使用,并将有助于创建5G和6G手机。


Doran说:“化合物半导体结合了元素周期表中的两种或多种元素,例如镓和氮,形成氮化镓。”他解释说,这些材料在速度、延迟、光检测和发射等方面都优于硅,这将有助于实现5G和自动驾驶汽车等应用。


化合物半导体将进入5G手机。 图片来源:AT&T


尽管它们可能与普通硅芯片一起使用,但化合物半导体将进入5G和6G手机,本质上使它们足够快、足够小,同时还具有良好的电池寿命。


Doran说:“化合物半导体的出现改变了游戏规则,它有潜力带来变革,就像互联网变革通讯领域一样。”这是因为,化合物半导体的速度可能比硅快100倍,因此可以为物联网增长带来的器件激增提供动力。


什么是量子计算?


当你可以拥有量子世界的叠加和纠缠现象时,谁还需要经典计算机系统的开关状态呢?IBM、谷歌、英特尔和其他公司都在竞相使用量子比特(又称“qubits”)来制造具有强大处理能力的量子计算机,其处理能力远远超过硅晶体管。


问题是,在实现量子计算的潜力之前,量子物理学家和计算机架构师要实现许多突破,有一个简单的测试,量子计算界的一些人认为,在量子计算机问世之前,需要满足他们的要求:“量子至上”。


Hampel表示:“这只是意味着,在摩尔定律的道路上,量子机器比传统半导体处理器更擅长完成特定的任务。”到目前为止,实现这一目标仍然遥不可及。


英特尔在做什么?


由于英特尔是制造硅晶体管的先驱,因此英特尔在硅基量子计算研究方面投入巨资也就不足为奇了。


英特尔销售与营销集团副总裁兼英国区总经理Adrian Criddle表示:“除了投资扩大需要在极低温度下存储的超导量子比特外,英特尔还在研究一种替代方法。替代架构基于‘自旋量子比特’,在硅片中运行。”


自旋量子比特使用微波脉冲来控制硅基器件上单个电子的自旋,英特尔最近在其最新的“世界最小的量子芯片”上使用了自旋量子比特。至关重要的是,它使用硅和现有的商业制造方法。


英特尔的自旋量子比特。 图片来源:Walden Kirsch /英特尔公司


Criddle解释说:“自旋量子比特可以克服超导方法带来的一些挑战,因为它们的物理尺寸更小,更容易微缩,而且可以在更高的温度下工作。更重要的是,自旋量子比特处理器的设计类似于传统的硅晶体管技术。”


然而,英特尔的自旋量子比特系统仍然只能接近绝对零度;冷计算将与量子计算机的发展密切相关。与此同时,IBM有一个50比特的处理器Q,而谷歌量子AI实验室有72比特的Bristlecone处理器。


石墨烯和碳纳米管怎么样?


这些所谓的神奇材料有朝一日可能会取代硅。Doran说:“它们现有的电气、机械和热学特性远远超出了硅基器件所能达到的水平。”然而他警告说,可能需要很多年才能准备好迎接黄金时代。


他说:“硅基器件经过了几十年的改进,并随着相关制造技术的发展而发展。石墨烯和碳纳米管仍处于这一旅程的起点,如果它们要在未来取代硅,实现这一目标所需的制造工具仍然需要开发。”


石墨烯墨水有一天可能取代硅。 图片来源:Jamie Carter


原子时代


无论其他材料的前景如何,我们现在正处于原子时代。Harold说:“每个人都在考虑原子。我们的进展现在已经到了单个原子计数的阶段,甚至存储正在寻找在原子水平上工作的方法——IBM已经展示了在单个原子上存储数据的可能途径。”今天,创建1或0,即用来存储数据的二进制数字,需要10万个原子。


然而,这里有一个问题。Harold补充说:“作为存储或传输信息的手段,原子本质上不太稳定,这意味着需要更多的逻辑来纠正错误。”因此,未来的计算机系统很可能是各种技术的叠加,每一种技术都是为了弥补另一种技术的缺点。


因此,没有哪个答案可以将硅的寿命延长到下一个计算时代。化合物半导体、量子计算和冷计算都有可能在研发中发挥重要作用。计算机的未来很可能会出现机器的层级结构,但到目前为止,没有人知道明天的计算机会是什么样子。


Hampel表示:“虽然摩尔定律将会终结,但指数计算能力的长期和持久趋势很可能不会终结。”


关键字:冷计算  化合物半导体  

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