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摩爾定律為半導體工業的發展節奏設定了基本步調

作者:admin 來源:真人娛樂,真人娛樂官網 時間:2019-01-02
  電荷與自旋是電子的兩個內稟屬性。19世紀以來,人類開始調控電子的電荷屬性,發展了以半導體為基礎的微電子學,奠定了第三次產業革命的基礎。
 
  0和1,是計算機記錄和存儲的底層語言。傳統電子器件依賴電荷產生這兩個數字,而自旋電子器件則依賴自旋。
 
  “就像條形磁鐵的南北極一樣,自旋電子材料可借助‘上’或‘下’的電子自旋將二進制數據記錄在材料中。”天津大學微電子學院副院長、博士生導師徐江濤說。
 
  “傳統電子器件只是利用電子的電荷流動存儲傳輸信息。自旋電子學器件在信息處理過程中,可只利用自旋作為傳輸載體,避免電荷的流動,從而大大降低能耗。”董紅說。
 
  “自旋電子器件工作時,產生的熱量很少。與常見的電子器件相比,無須耗費更多的能源給器件散熱,相對來說更省電。”徐江濤說,自旋電子器件未來有望解決現代電子計算機功耗大和散熱難這兩大難題。
 
  運算速度更快,或取代傳統器件
 
  按照摩爾定律設定的節奏,在過去的幾十年中,單位面積芯片上的元器件不斷“瘦身”,但其尺寸不可能無限制地縮小下去。在現有技術條件下,晶體管最小可做到3納米線寬。但目前大多數商業級別的應用,都停留在7納米。
 
  “這是逼近晶體管物理極限的寬度。”董紅解釋道,因為從物理定律來看,3納米線寬幾乎就是物理極限。
 
  制約摩爾定律發展的核心因素是在物理方面,隨著芯片尺寸的不斷縮小,芯片產生的熱量將會增加,對電路自身會造成危害;其次,由于芯片在生產過程中不可避免地混有雜質,而伴隨著尺寸的縮小,雜質的密度就會增大,雜質的聚集將會影響導電性能,目前芯片中雜質含量已接近所能允許的極限。
 
  此外,隨著芯片尺寸的縮小,將發生電子漂移現象,晶體管會失去可靠性,可能無法控制電子的進出,從而無法制造出1和0。
 
  董紅表示,新聞中英特爾公司研發的新款元件由多鐵材料制成,這使得其既具有磁性又具有鐵電性。“這種材料的優勢在于,磁性和鐵電性這兩種狀態是相互聯系或耦合的,改變一種就會影響另一種;通過控制電場狀態,就能改變磁場狀態。這也讓其能有效避免電子漂移現象的出現,同時也提升了運算速度。”董紅說。既環保又高效,自旋電子器件優點多多。如此看來,傳統晶體管技術未來必將被這支“后備軍”所取代。
 
  然而,事情沒有那么簡單。
 
  董紅表示,截至目前,芯片廠商仍在固守舊路,努力研制接近線寬極值3納米的晶體管,而鮮有考慮從其他路徑進行顛覆性創新。
 
  “其中一個重要的原因是,半導體產業不是一錘子買賣,不存在一個技術能包治百病、解決所有問題。”董紅表示,“芯片廠商們更加希望有可持續多年的路線圖,如同摩爾定律一樣,引導產業持續獲利。”
 
  正因如此,英特爾公司在評估了25個不同的技術路線后,判斷MESO在長期內具有持續迭代的可能,才最終確定了這種新型方案。
 
  廠商們想要的是低投入、高產出,誰也不愿用真金白銀去試錯。“半導體芯片是一個需要高投入、規模效應的產業,投資周期長、風險大,大多數人不愿冒險。”董紅說。
 
  “目前,自旋電子技術尚處在起步階段,離產業應用至少還有15年的時間。”董紅說,“開發自旋電子器件,仍有幾個技術瓶頸亟待突破。比如,在自旋電子材料中,生成和檢測極度微小的電子自旋信號就是主要障礙之一。”
 
  徐江濤也認為,由于涉及到器件設計、制備、優化等一系列、全行業的改變,MESO這種新型的構架走出實驗室,走向大規模應用還需時日。
 
  “若‘超級芯片’得到應用,將極大地降低計算功耗。但不排除在等待它降臨的期間,會出現更優的技術路線,或更有利于芯片產業革新的技術方案。”徐江濤說,“不管采用哪種技術方案,毫無疑問,這將是一場技術革命,對芯片產業和計算機產業來說都將起到極大的推動作用。”英特爾公司的共同創始人戈登·摩爾發布了被奉為“信息技術第一法則”的摩爾定律。該定律指出,集成電路上可容納的元器件數目每18個月約翻1倍。
 
  在過去的半個多世紀里,摩爾定律為半導體工業的發展節奏設定了基本步調。自摩爾定律提出以來,不論是從單個芯片晶體管數目角度,還是從微處理器芯片、半導體存儲器以及系統軟件角度來考察,摩爾定律的預言與現實都驚人地吻合。可芯片上晶體管的尺寸不可能無限制地縮小下去,芯片單位面積上可集成的元器件數目會達到極限。因此,唱衰摩爾定律的聲音也越來越盛,不斷有人預測出該定律失效的時間,或許是10年,或許是15年。
 
  前不久,英特爾公司和加州大學伯克利分校研究人員借助自旋電子(MESO)技術,研發出一種名為“磁電旋轉軌道”的邏輯元件,可將常見芯片元器件尺寸縮至當前的1/5,同時可降低能耗超90%。有業內人士估計,科研人員可借助這一元件,研發出“超級芯片”,為摩爾定律“續命”。
 
  那么,自旋電子技術到底是何方神圣?它真能讓摩爾定律延續輝煌嗎?
 
  用自旋作信息載體,大幅降低能耗
 
  “自旋電子技術,利用電子自旋作為信息載體,通過調控與操縱自旋,實現數據存儲、邏輯運算等。”南開大學電子信息與光學工程學院副教授董紅在接受科技日報記者采訪時說。
 
  
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