摩尔定律将死 芯片业面临全球洗牌

关键字： 英特尔 摩尔定律

　　  “宛如在白纸上作画，芯片业正面临一个全球洗牌的机会。”旧金山时间1月22日，斯坦福大学应用物理学和电机工程系教授张首晟在接受本报记者独家专访时，将矛头直指IT业奉为圭臬的摩尔定律。英特尔创始人之一戈登·摩尔在上世纪60年代初提出：集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍，而性能也将提升一倍。半个世纪以来，这一定律见证了人类信息技术前进的脚步，也养肥了芯片业的巨无霸——英特尔。

　　  2003 年，为应对摩尔定律即将失效的问题，张首晟等在2003年组建了“IBM-斯坦福自旋电子研究中心”，并于2006年将其基于芯片业未来提出的新构想—— 通过电子的自转来降低其能耗——在理论上完成了预演。2007年，这一新构想被德国的一个实验小组通过实验证明。同年，张首晟的这一发现被评为“全球十大 重要科学突破”之一。

　　  作为斯坦福最年轻的正教授，张首晟以其在半导体和超导方面的研究获得国际公认，并在《科学》、《自然》等期刊上发表论文100多篇。张同时还担任“IBM-斯坦福自旋电子研究中心”联席主席，致力于研究下一代先进半导体设备。

　　  “这同时也是中国芯片业唯一一个可超前的机会，政府、科研机构和产业界应积极行动起来。”张首晟说，如果到时还是跟在别人后面、被动购买专利，那么中国在芯片业将几乎没有翻身机会。

　  　当“摩尔定律”失效

　　  记者：摩尔定律被IT业奉为圭臬，全球芯片技术、产业界基本都是在这一固定原理下运行，你基于哪些因素判断，现在全球芯片业正经历一个转型期?

　　  张首晟：在过去差不多六十多年中，摩尔定律不断解决了很多问题，但发展到今天，芯片业根本性的瓶颈已经显露，即如果按摩尔定律的原理，芯片将不可能再按原来速度发展。估计在2015-2020年左右，芯片的升级速率会慢慢停止。对全球来说，这是一个比较危机的时间点。

　　  当然，这也是一个转机。美国政府很早就看到了这一点，目前已在创新发展方面进行很多投资，美国研究机构在此方面也做了大量布局，希望能在这个重新洗牌期率先找到一个新原理来工作。

　　  记者：瓶颈由何而生?

　　  张首晟：这一根本性瓶颈是：如果我们仍按原来的原理工作，电脑每做一次运算，芯片每个三极管都要发出一定热量，而每过18个月三极管上面就要Double一 次，这是一个指数增长的概念。指数增长很可怕，虽然一个三极管本身散发热量不多，但上面放那么多三极管，而芯片大小始终没有太多改变。

　　  事实上，有关如何降低功耗的问题现在已迫在眉睫，再发展下去，芯片将无法正常工作。为此，工程师已想尽几乎一切解决办法，但这是一个根本性的问题，每做一次运算，必然就会出现这样的结果。

　　  所以现在工业界的挑战或者说科研界的机会就在于，是否能找到一个比较有革新性的构想，使工业界用一个全新原理工作，让三极管根本不会散出那么多热量。

　　  记者：目前美国是否已经找到根本性的解决方案，可能的方向是在哪里?

　　  张首晟：如果要真正从根本上解决这一问题，选择肯定不会太多，因为能想到的基本都已经想过了，而我们说电子工业最终还必须建立在电子上。通常来说，我们是通过电子所在的电流来做集成电路，而基于我们以往所发现和知道的电子特性，小革新仍会有，但重大的革命机会已不会太多。

　　  记者：在这种情况下，如何让电子工业最终仍建立在电子上?

　　  张首晟：必须注意电子仍是电子，它就是这些性质，不可能去空想出一个新性质。我们现在所使用的一个新思想是：电子除具有带电这一基本特性外，它还有另一性质，即它在一边运动时，同时还在做自转。这就如地球绕着太阳转，但地球本身也在自转。

　　  自转是电子本身所固有的另一性质，而这一固定性质可以用来作为研究的原理和新方向。这可能也是目前大家最热、最集中投资的一个方向，即通过电子自旋来做逻辑运算。

　　  “电子自转”会颠覆什么?

　　  记者：“电子自旋”怎么做逻辑运算，这一原理的运作方式是怎样的?

　　  张首晟：在运动过程中，电流本身是比较有规律的，即从左边到右边，但在半导体中，电子的运动基本为无序。比如说，假设我们面前的这个桌子是一个芯片，那么当 电流要从桌子这一头传到另一头时，就如同我们要走过一个非常杂乱无章的迪斯科舞厅──你(电子)总是会不断碰撞到别人，由此，你(电子)本身具备的能量也 在这一过程中被消耗。

　　  所以我们一直在思考，大自然是否可能存在一种比较漂亮的跳舞方式让电子在里面运动，即电子是否能有一种更有序的运动形式。如果能找到，就意味我们能更好地控制热量或根本不会有热量散出来，因为电子不需经常碰来碰去就不会有很多热量消耗。

　　  记者：你从2003年开始就在做这方面的研究，你们发现了什么?

　　  张首晟：到2006年有一个重大突破，即找到了电子的一个运动循环规律。我们发现，电子自转方向与电流方向实际上有一定规律。这样的话，相当于运动时大家有一定默契，电子在运动中就不会互相乱碰撞。

　  　这一规律已在实验上被证实。接下来的一步是希望能向工业化，但整个东西要投入工业大概差不多还需要五年时间，所以这是一个非常紧迫的历史机遇。

　　  另外一点，规律虽然已被找到，但目前仍须在特殊条件下才能实现：首先它的材料不是硅，是另外一种材料，我们所找到的还比较特殊，两个基本元素Hg(贡)和Te(碲)，它们在自然界也有，但要做得比较好的话需人工合成;而另一个条件就是，温度相对来说还较低。

　　  记者：对于产业界而言，这是一种怎样的机遇?美国工业界，比如一些大公司是否已经行动起来?

　　  张首晟：这是一个全球重新洗牌机会，或者说是在白纸上面画最新的图案。这一机遇的重要性可能相当于当年集成电路的发明。人类芯片史上有以下几个革命：真空管、晶体管和集成电路，但其实从集成电路到现在，一直都没有一个大的变化。

　　  目前，美国产业界基本上还是在原来模式下做更多进步，但针对这一重新洗牌机会，也已联合起来共同给大学和科研机构资金。这是美国惯常的一个做法，即由政府和工业界联合起来支持大学研究机构。

　　  我认为中国半导体工业也一定要有这样的超前意识，不能整天打价格战，说我们这里便宜你们就过来。现在看来，这并不是一个很成功的模式。