硅正在接近極限，晶元未來靠什麼？|半導體行業觀察
來源：本文由公眾號半導體行業觀察（ID：icbank）翻譯自「techradar」，作者：Jamie Carter，謝謝。
如果我們的電子產品想要變得更小更快，就需要技術上的進步。
圖片來源：英特爾
我們生活在一個由計算機電路驅動的世界。現代生活依賴於半導體晶元和硅基集成電路上的晶體管，它們可以開關電子信號。大多數晶體管使用豐富而廉價的硅元素，因為它既可以阻止也可以允許電流流動，它既是絕緣體又是半導體。
直到最近，擠壓在硅晶元上的微型晶體管每年的體積都縮小一半。它造就了現代數字時代，但這個時代即將結束。隨著物聯網、人工智慧、機器人技術、自動駕駛汽車、5G和6G手機這些計算密集型工作的問世，科技的未來岌岌可危。那麼接下來會發生什麼呢?
什麼是摩爾定律？
摩爾定律是計算能力的指數增長。早在1965年，英特爾聯合創始人戈登·摩爾就觀察到，一英寸計算機晶元上的晶體管數量每年翻一番，而成本則減半。現在，這個時間是18個月，而且越來越長。事實上，摩爾定律不是定律，只是一個為晶元製造商工作的人的觀察結果，但增長的時間意味著未來的密集計算應用可能受到威脅。
一部智能手機包含超過2000億個晶體管。資料來源：CC0 Creative Commons
摩爾定律已死？
沒有，但是速度太慢了，硅晶元需要幫助。英國半導體應用公司Catapult的首席執行官Stephen Doran說：「在越來越多的需要提高速度、減少延遲和光檢測的應用中，硅正在達到其性能的極限。」
然而，他認為現在談論硅的替代物還為時過早。他補充稱：「這意味著硅將被完全取代，這在短期內不太可能發生，很可能永遠不會發生。」
Imagination Technologies營銷傳播副總裁David Harold表示：「至少在2025年之前，摩爾定律式的業績提升仍有潛力。直到20世紀40年代，硅仍將主導晶元市場。」
計算機的第二個時代即將到來
仔細研究硅晶體管問題非常重要；作為一個概念，它並沒有「死亡」，但是它已經超過了它的頂峰。Rambus內存和介面部門首席科學家Craig Hampel表示：「摩爾定律專門指的是由半導體製造的集成電路的性能，而且只記錄了過去50多年的計算。」
這場超越硅的競賽正在進行。 圖片來源：英特爾
「人類對計算需求的增長趨勢可追溯到算盤、機械計算器和真空管，並可能遠遠超出半導體（如硅），包括超導體和量子力學。」
超越硅是一個問題，因為未來的計算設備將需要更加強大和靈活。Harold說：「日益增加的計算問題是，未來的系統將需要學習和適應新的信息。它們必須『像大腦一樣』。再加上晶元製造技術的轉型，它們將為計算創造革命性的第二個時代。」
什麼是冷計算？
一些研究人員正在研究用更少的能量獲得高性能計算機的新方法。「數據中心或超級計算機的冷運行可以帶來顯著的性能、功耗和成本優勢。」Hampel說。
微軟的Natick項目就是一個例子，作為該項目的一部分，一個巨大的數據中心沉入了蘇格蘭奧克尼群島海岸，但這只是一小步。進一步降低溫度意味著漏電流更少，晶體管開關的閾值電壓更低。
作為Natick項目的一部分，微軟在大西洋沉入了一個數據中心。 圖片來源：微軟
Hampel說：「它減少了延伸摩爾定律的一些挑戰。」他補充說，對於這些類型的系統來說，自然的操作溫度是77K（-270℃）的液氮。「大氣中含有豐富的氮，以液態形式收集相對便宜，而且是一種有效的冷卻介質。我們希望，在內存性能和功耗方面，或許能再延長4~10年的時間。」
什麼是化合物半導體？
下一代半導體由兩種或兩種以上的元素組成，這些元素的特性使它們比硅更快、效率更高。這是「機會」，它們已經在使用，並將有助於創建5G和6G手機。
Doran說：「化合物半導體結合了元素周期表中的兩種或多種元素，例如鎵和氮，形成氮化鎵。」他解釋說，這些材料在速度、延遲、光檢測和發射等方面都優於硅，這將有助於實現5G和自動駕駛汽車等應用。
化合物半導體將進入5G手機。 圖片來源：AT&T
儘管它們可能與普通硅晶元一起使用，但化合物半導體將進入5G和6G手機，本質上使它們足夠快、足夠小，同時還具有良好的電池壽命。
Doran說：「化合物半導體的出現改變了遊戲規則，它有潛力帶來變革，就像互聯網變革通訊領域一樣。」這是因為，化合物半導體的速度可能比硅快100倍，因此可以為物聯網增長帶來的器件激增提供動力。
什麼是量子計算？
當你可以擁有量子世界的疊加和糾纏現象時，誰還需要經典計算機系統的開關狀態呢？IBM、谷歌、英特爾和其他公司都在競相使用量子比特（又稱「qubits」）來製造具有強大處理能力的量子計算機，其處理能力遠遠超過硅晶體管。
問題是，在實現量子計算的潛力之前，量子物理學家和計算機架構師要實現許多突破，有一個簡單的測試，量子計算界的一些人認為，在量子計算機問世之前，需要滿足他們的要求：「量子至上」。
Hampel表示：「這只是意味著，在摩爾定律的道路上，量子機器比傳統半導體處理器更擅長完成特定的任務。」到目前為止，實現這一目標仍然遙不可及。
英特爾在做什麼？
由於英特爾是製造硅晶體管的先驅，因此英特爾在硅基量子計算研究方面投入巨資也就不足為奇了。
英特爾銷售與營銷集團副總裁兼英國區總經理Adrian Criddle表示：「除了投資擴大需要在極低溫度下存儲的超導量子比特外，英特爾還在研究一種替代方法。替代架構基於『自旋量子比特』，在矽片中運行。」
自旋量子比特使用微波脈衝來控制硅基器件上單個電子的自旋，英特爾最近在其最新的「世界最小的量子晶元」上使用了自旋量子比特。至關重要的是，它使用硅和現有的商業製造方法。
英特爾的自旋量子比特。 圖片來源：Walden Kirsch /英特爾公司
Criddle解釋說：「自旋量子比特可以克服超導方法帶來的一些挑戰，因為它們的物理尺寸更小，更容易微縮，而且可以在更高的溫度下工作。更重要的是，自旋量子比特處理器的設計類似於傳統的硅晶體管技術。」
然而，英特爾的自旋量子比特系統仍然只能接近絕對零度；冷計算將與量子計算機的發展密切相關。與此同時，IBM有一個50比特的處理器Q，而谷歌量子AI實驗室有72比特的Bristlecone處理器。
石墨烯和碳納米管怎麼樣？
這些所謂的神奇材料有朝一日可能會取代硅。Doran說：「它們現有的電氣、機械和熱學特性遠遠超出了硅基器件所能達到的水平。」然而他警告說，可能需要很多年才能準備好迎接黃金時代。
他說：「硅基器件經過了幾十年的改進，並隨著相關製造技術的發展而發展。石墨烯和碳納米管仍處於這一旅程的起點，如果它們要在未來取代硅，實現這一目標所需的製造工具仍然需要開發。」
石墨烯墨水有一天可能取代硅。 圖片來源：Jamie Carter
原子時代
無論其他材料的前景如何，我們現在正處於原子時代。Harold說：「每個人都在考慮原子。我們的進展現在已經到了單個原子計數的階段，甚至存儲正在尋找在原子水平上工作的方法——IBM已經展示了在單個原子上存儲數據的可能途徑。」今天，創建1或0，即用來存儲數據的二進位數字，需要10萬個原子。
然而，這裡有一個問題。Harold補充說：「作為存儲或傳輸信息的手段，原子本質上不太穩定，這意味著需要更多的邏輯來糾正錯誤。」因此，未來的計算機系統很可能是各種技術的疊加，每一種技術都是為了彌補另一種技術的缺點。
因此，沒有哪個答案可以將硅的壽命延長到下一個計算時代。化合物半導體、量子計算和冷計算都有可能在研發中發揮重要作用。計算機的未來很可能會出現機器的層級結構，但到目前為止，沒有人知道明天的計算機會是什麼樣子。
Hampel表示：「雖然摩爾定律將會終結，但指數計算能力的長期和持久趨勢很可能不會終結。」
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