10/10/2011，網(wǎng)界網(wǎng)編譯 據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，請(qǐng)想象一下這樣一個(gè)世界：各種電子設(shè)備可以自己充電，音樂播放器可以終其壽命不停地播放歌曲，電池可以自充電，芯片可以實(shí)時(shí)改變其處理能力等等。根據(jù)美國(guó)各大實(shí)驗(yàn)室正在研究的項(xiàng)目來看，所有這些事物并非沒有可能，而是極有可能。

　　“未來五年對(duì)于電子學(xué)來說將會(huì)是一段非常令人激動(dòng)的時(shí)期，”美國(guó)商業(yè)部所屬國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)半導(dǎo)體電子學(xué)分部的主任David Seiler說。“今天很多看上去像是不著邊際的幻想，明天都有可能變成司空見慣的事物�！�

　　NST的David Seiler：今天很多不著邊際的幻想很快就會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。

　　本文將帶領(lǐng)你去漫游一下未來的電子世界。其中的一些概念聽起來很像夢(mèng)幻，還有一些是期待已久但還未實(shí)現(xiàn)的概念，不過它們都有一個(gè)共通之處，那就是它們?nèi)�都已�?jīng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了演示，已經(jīng)有望在未來五年左右的時(shí)間內(nèi)成為商用產(chǎn)品。

　　本文共分兩大部分，第一部分主要講述芯片級(jí)的發(fā)展，處理器傳輸數(shù)據(jù)不再使用導(dǎo)線連接的電路，而是使用激光，新材料的出現(xiàn)可能會(huì)讓傳統(tǒng)的硅材料變得一文不值。這些技術(shù)可以為大量新型的創(chuàng)新產(chǎn)品提供構(gòu)建模塊，而其中的一些技術(shù)甚至可能是我們今天根本無法想象的。

　　第二部分將會(huì)講述關(guān)于接入、電源與控制領(lǐng)域的五大創(chuàng)新技術(shù)。

　　沒有導(dǎo)線的芯片：激光連接

　　如果用顯微鏡仔細(xì)查看任何一塊微處理器就會(huì)發(fā)現(xiàn)，其中有數(shù)百萬條極細(xì)微的導(dǎo)線在連接每個(gè)有源元件。而在微處理器的表面之下，還有更多的導(dǎo)線存在。麻省理工學(xué)院微光子中心的一位研究人員Jurgen Michel希望用快閃鍺(Ge)激光器完全取代這些導(dǎo)線，用紅外線來傳輸數(shù)據(jù)。

　　Michel解釋道，“當(dāng)處理器的核與元件越來越多時(shí)，提供內(nèi)部連接的導(dǎo)線就成了阻礙數(shù)據(jù)連接提速的障礙。我們使用光子而非電子，可以讓連接變得更容易，更快速。”

　　利用光速的光子來傳輸數(shù)據(jù)，Ge激光器傳輸位和字節(jié)的速度要比通過導(dǎo)線傳輸?shù)碾娮涌?00倍，這就意味著芯片各核心與其內(nèi)存之間的關(guān)鍵連接不會(huì)再拖其他元件的后腿。恰如電話網(wǎng)絡(luò)的光纖通信要比前一代的銅纜更高效一樣，芯片中的激光會(huì)讓計(jì)算超高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　麻省理工的這套系統(tǒng)最妙的部分是，在每個(gè)處理器內(nèi)部不再需要埋設(shè)細(xì)微的導(dǎo)線。而是用一系列隱秘的隧道和洞穴構(gòu)成十字交叉網(wǎng)絡(luò)來傳輸光脈沖;而微小的鏡面和感應(yīng)器則用來中轉(zhuǎn)和解釋數(shù)據(jù)。

　　這是傳統(tǒng)的硅電子與光學(xué)元件的混合——也叫做硅光子技術(shù)，這種技術(shù)可以讓計(jì)算機(jī)變得更綠色。因?yàn)榧す馄饕�比�?dǎo)線更省電，產(chǎn)生的熱量也更少。

　　“光電子可以說是一個(gè)圣杯，”Seiler稱。“它拓展了電子學(xué)，也是降低電源消耗的極好辦法，因?yàn)槲覀儾辉儆邪l(fā)熱的導(dǎo)線了�！�

　　2010年2月，Michel與其同事Lionel Kinerling和Jifeng Liu成功地研制并測(cè)試了一塊帶有Ge激光數(shù)據(jù)傳輸器的功能電路。這塊芯片的傳輸速度超過了每秒Tbit，比當(dāng)今最快的導(dǎo)線連接芯片速度快了兩個(gè)量級(jí)。

　　Ge激光器研發(fā)小組(從左至右)：麻省理工學(xué)院教授Lionel Kimerling、Jurgen Michel以及研究員Jifeng Liu，后者現(xiàn)任Dartmouth大學(xué)副教授。

　　這塊芯片是利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體處理技術(shù)再加上一些其他附件制成的，所以Michel據(jù)此認(rèn)為向激光連接芯片的過渡可能會(huì)在下一個(gè)五年中出現(xiàn)。如果進(jìn)一步的測(cè)試取得成功的話，麻省理工學(xué)院將會(huì)批準(zhǔn)立項(xiàng)，這種芯片就有可能在2015年左右進(jìn)入商用階段。

　　對(duì)這種芯片的需求是前所未有的。因?yàn)榈搅?015年，極有可能會(huì)在計(jì)算機(jī)芯片上出現(xiàn)64顆獨(dú)立的處理內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核都可以同時(shí)工作。“如果用導(dǎo)線連接這些內(nèi)核那肯定是死路一條，”Michel稱�！岸�利用鍺激光器來連接這些內(nèi)核卻存在著巨大的可能性和回報(bào)率�！�

　　新奇的電路：憶阻器

　　假如你的MP3已經(jīng)裝滿了曲子，而你覺得每次要?jiǎng)h掉一只曲子才能下載新的曲子就像是在進(jìn)行一次文化謀殺的話，那么憶阻器技術(shù)就會(huì)幫你的大忙。

　　這是自晶體管出現(xiàn)以來的一種全新的電子器件，可以說是一種比閃存更快、更耐用，也更便宜的替代品。其存儲(chǔ)容量是閃存的兩倍，可以有足夠的空間儲(chǔ)存下從倫納德·伯恩斯坦[美國(guó)作曲家(1918-1990)——譯者注]到Lady Gaga的所有樂曲。

　　“如果我們想要重新設(shè)計(jì)今天的計(jì)算機(jī)技術(shù)，那就應(yīng)該使用憶阻器內(nèi)存，”惠普實(shí)驗(yàn)室量子科學(xué)研究小組的高級(jí)研究員兼負(fù)責(zé)人R.Stanly Williams說�！皩�(duì)于未來的電子學(xué)而言，這是一種非常重要的架構(gòu)�！�

　　憶阻器，實(shí)際上就是帶內(nèi)存的電阻，最早是由加州大學(xué)伯克利分校的教授Leon Chua發(fā)明的，但是惠普實(shí)驗(yàn)室的憶阻器原型卻直到2008年才進(jìn)行過公開演示。

　　為了構(gòu)建其憶阻器，惠普使用了二氧化鈦和鉑金的疊壓;在電子顯微鏡下看，它們就像是一系列長(zhǎng)長(zhǎng)的平行山脊。而在表層下面是另一層與其成直角的相同結(jié)構(gòu)，從而形成了一個(gè)類似網(wǎng)格的陣列。

　　二氧化鈦和鉑金的十字交叉疊壓層的顯微鏡圖像，從而產(chǎn)生了一行憶阻器。

　　Williams稱，“你可以把它想象成一系列只有2到3納米長(zhǎng)的管子�！�(1個(gè)納米是1米的10億分之一，粗略地講相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的萬分之一)關(guān)鍵在于任意兩條相鄰的導(dǎo)管可以用表層下的一個(gè)電子交換器來連接，從而生成一個(gè)內(nèi)存單元。通過調(diào)整導(dǎo)管兩端的電壓，科學(xué)家們便可打開或者關(guān)閉微型電子交換器，從而像傳統(tǒng)的閃存芯片那樣存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　這些叫做電阻式RAM(ReRAM)的芯片大致可儲(chǔ)存比同樣面積大小的閃存芯片多兩倍的數(shù)據(jù)，而其存取速度卻要比閃存快上1000倍，而且其反復(fù)讀寫次數(shù)可達(dá)百萬次以上，是閃存的10倍。ReRAM的特殊優(yōu)勢(shì)還在于，其讀寫速度相當(dāng)，而閃存寫數(shù)據(jù)的時(shí)間則要比讀數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)很多。

　　惠普與韓國(guó)的Hynix公司已經(jīng)在聯(lián)手開發(fā)可批量生產(chǎn)的ReRAM芯片，這些芯片可用于各種小型設(shè)備，例如音樂播放器(可存儲(chǔ)TB字節(jié)的音樂)、視頻播放器和電子書等。此類芯片預(yù)計(jì)會(huì)在2013年的某個(gè)時(shí)候上市。

　　ReRAM還可取代電腦中的DRAM。由于其所具有的不揮發(fā)性質(zhì)，ReRAM即便在系統(tǒng)關(guān)機(jī)或者斷電時(shí)，其儲(chǔ)存的內(nèi)容也不會(huì)消失，這是和DRAM不同的。事實(shí)上，Williams甚至認(rèn)為，ReRAM可能會(huì)開啟一個(gè)所謂即時(shí)計(jì)算的時(shí)代。要知道，今天的電腦即便沒有完全關(guān)機(jī)，只是進(jìn)入睡眠狀態(tài)，要想喚醒它訪問數(shù)據(jù)也需要數(shù)秒到一分鐘的時(shí)間。而配備了ReRAM的設(shè)備，無論何時(shí)開啟設(shè)備皆可即時(shí)響應(yīng)。

　　惠普實(shí)驗(yàn)室的R. Stanly Williams：“我們能夠在10年內(nèi)研制出Pb傳輸速率的芯片。”

　　Williams認(rèn)為，更重要的是，憶阻器還可以在一塊芯片內(nèi)進(jìn)行堆疊，構(gòu)成憶阻器陣列，從而有可能創(chuàng)建3D內(nèi)存元件，更好地利用芯片的內(nèi)部空間。和傳統(tǒng)的只利用表層面積的芯片不同，這些內(nèi)存元件可以深植入芯片內(nèi)部，在同一個(gè)物理空間內(nèi)生成更多的內(nèi)存空間。

　　“能夠堆疊多少層基本上沒有什么限制，”Williams補(bǔ)充道�！拔覀兡軌蛟�10年內(nèi)研制出Pb傳輸速率的芯片�！边@將是一個(gè)擁有百萬GB的存儲(chǔ)空間，足可在一塊指甲大小的芯片上儲(chǔ)存全球一年內(nèi)所生產(chǎn)的所有值得保存的高清視頻。

　　“憶阻器的首個(gè)應(yīng)用應(yīng)該是內(nèi)存，”NIST的Seiler說，“但它的用途要比這廣泛得多。在內(nèi)存之外它擁有廣闊的天地�！�

　　盡管其普及似乎還遙不可及，可能需要20年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，但這一技術(shù)肯定將會(huì)改寫基本的電腦設(shè)計(jì)。2010年，惠普的研究人員已發(fā)現(xiàn)，憶阻器除了存儲(chǔ)用途之外，還可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算，這就意味著從理論上說，存儲(chǔ)和計(jì)算兩種功能可以在同一芯片上進(jìn)行。

　　Williams說，“一塊憶阻器芯片便可替代好幾塊電路，這將會(huì)簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和操作�！北热缯f，一塊憶阻器就能夠完成目前的處理器緩存中構(gòu)成一個(gè)靜態(tài)RAM單元的6個(gè)晶體管的工作。

　　在Williams看來，利用憶阻器技術(shù)甚至可能創(chuàng)建人工神經(jīng)元，可模仿人腦進(jìn)行工作。但是在下一個(gè)十年或者更長(zhǎng)一些時(shí)間之內(nèi)，還不存在這種可能性。

　　IBM物理科學(xué)部的主任Supratik Guha稱，憶阻器肯定會(huì)改寫電子學(xué)的規(guī)則。但是這項(xiàng)技術(shù)還需要進(jìn)行不斷的驗(yàn)證�！八�確實(shí)有可能做成內(nèi)存元件，但是和其他任何技術(shù)一樣，在它能跑之前必須先學(xué)會(huì)走，而在能走之前必須先學(xué)會(huì)爬行。”

　　換句話說，憶阻器技術(shù)不可能一夜之間出現(xiàn)。在它能夠取代流行的DRAM或者閃存之前，還需要經(jīng)過漫長(zhǎng)的演進(jìn)過程。

　　可變化的芯片：可編程的層

　　從速度最快的處理器到最小的內(nèi)存模塊，電子工業(yè)今天所使用的每塊芯片差不多都是一樣的：它的有源元件都只利用了芯片硅材表面上大約1%到2%厚度的淺表層。

　　這種情況將會(huì)在未來幾年內(nèi)出現(xiàn)改變，因?yàn)樾酒瑥S商都在芯片的厚度方向上進(jìn)行挖掘，以便制作出越來越多的元件。比如英特爾已經(jīng)在把一些成品芯片粘合在一起，羅切斯特大學(xué)的研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)并研制出了層層相疊的3D電路。但是據(jù)IBM的Guha觀察認(rèn)為，這兩種方法都過于復(fù)雜和昂貴了。

　　但如果我們能找到什么辦法讓電路可以按需重新排列的話，那么我們還需要把有源元件分成好幾層嗎?這種做法就是Tabula Spacetime技術(shù)公司所研制的ABAX芯片的設(shè)計(jì)思路。

　　ABAX芯片上可重編程電路層的完美設(shè)計(jì)思路。

　　和以往將數(shù)層的硬連線元件永久性蝕刻在硅片上無法更改的做法不同，ABAX采用了可重編程的電路，這種電路可根據(jù)需要改變自身的功能。已經(jīng)研制出的ABAX產(chǎn)品可在轉(zhuǎn)瞬之間進(jìn)行電路變更，相當(dāng)于一塊8個(gè)不同芯片層重疊的芯片。

　　“我們可以把它想象成一座8層樓高的倉(cāng)儲(chǔ)超市，”Tabula總裁兼CTO Steve Tieg說�！澳憧梢猿穗娞萆舷赂鳂菍樱�購(gòu)買不同的物品�！钡�是和實(shí)際重疊8個(gè)不同的物理層，每層都有自己的物品排列和分類不同，Tabula的芯片實(shí)際上只有一層，但它找到了一種辦法，可以按需進(jìn)行重新配置和變更。

　　“這就好比當(dāng)你還在電梯間上下時(shí)，樓層的內(nèi)部已經(jīng)重新安排了一遍，用不同的物品呈現(xiàn)出不同的布局，”Tieg補(bǔ)充道。“從外部看仿佛有8層樓高，但實(shí)際上卻只有1層。”

　　為了進(jìn)行功能變更，需要為該芯片的可重編程電路輸入下一系列操作所需的各種任務(wù)和責(zé)任，這一過程只需80微微秒——這一速度比芯片的計(jì)算周期快1000倍。因此在芯片等待其下一個(gè)計(jì)算指令期間，便可瞬間變更電路層的布局。

　　毫無疑問，ABAX真可謂以少勝多。它可利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)制作，而其成本也與制作一塊傳統(tǒng)芯片差不多。盡管這種設(shè)計(jì)思路也只用到了芯片的淺表層，但是單這一層便相當(dāng)于8塊不同的芯片。按照Tieg的說法，該技術(shù)可成倍地增加電路的密度，內(nèi)存和視頻流量可提升3.5倍。

　　這種設(shè)計(jì)思路預(yù)示著一個(gè)半導(dǎo)體新時(shí)代的來臨，在無須增加成本和額外耗電部件的情況下，單一電路層便可取代多層電路或者增加多種功能。“芯片的虛擬化運(yùn)行可以在效率和靈活性方面獲得極大收益，”NIST的Seiler說�！瓣P(guān)鍵問題就在于如何對(duì)其編程�！�

　　Tabula總裁兼CTO Steve Tieg：“從理論上講，能層疊多少層是沒有限制的�！�

　　迄今為止，半導(dǎo)體行業(yè)的主攻方向主要是處理器、圖形芯片和內(nèi)存芯片，而Tabula則主要關(guān)注有特殊用途的芯片市場(chǎng)。這些芯片是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的馱馬，它們主要用于無線路由器和手機(jī)發(fā)射塔等設(shè)備。

　　下一步，Tabula計(jì)劃針對(duì)一些主流電子設(shè)備制作芯片，比如數(shù)碼相機(jī)、視頻游戲機(jī)，甚至有可能是全功能計(jì)算機(jī)。該公司目前的8層設(shè)計(jì)已進(jìn)入生產(chǎn)階段，12層芯片的研制正在順利進(jìn)行，而20層芯片的設(shè)計(jì)已經(jīng)上了繪圖板�！皬睦碚撋现v，能層疊多少層是沒有限制的，”Tieg稱。