請想象一下這樣一個世界：各種電子設備可以自己充電，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，芯片可以實時改變其處理能力等等。根據(jù)美國各大實驗室正在研究的項目來看，所有這些事物并非沒有可能，而是極有可能。

“未來五年對于電子學來說將會是一段非常令人激動的時期，”美國商業(yè)部所屬國家標準與技術研究院(NIST)半導體電子學分部的主任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。” 

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

本文將帶領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幻，還有一些是期待已久但還未實現(xiàn)的概念，不過它們都有一個共通之處，那就是它們?nèi)家呀?jīng)在實驗室中進行了演示，已經(jīng)有望在未來五年左右的時間內(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的發(fā)展，處理器傳輸數(shù)據(jù)不再使用導線連接的電路，而是使用激光，新材料的出現(xiàn)可能會讓傳統(tǒng)的硅材料變得一文不值。這些技術可以為大量新型的創(chuàng)新產(chǎn)品提供構建模塊，而其中的一些技術甚至可能是我們今天根本無法想象的。

第二部分將會講述關于接入、電源與控制領域的五大創(chuàng)新技術。#p#

沒有導線的芯片：激光連接

如果用顯微鏡仔細查看任何一塊微處理器就會發(fā)現(xiàn)，其中有數(shù)百萬條微細的導線在連接每個活動單元。而在微處理器的表面之下，還有更多的導線存在。麻省理工學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線，用紅外線來傳輸數(shù)據(jù)。

Michel解釋道，“當處理器的核與元件越來越多時，提供內(nèi)部連接的導線就成了阻礙數(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)存之間的關鍵連接不會再拖其他元件的后腿。恰如電話網(wǎng)絡的光纖通信要比前一代的銅纜更高效一樣，芯片中的激光也會讓計算超高速運轉。

圖中的這些電路采用的是鍺激光器來通信的

麻省的這套系統(tǒng)最妙的部分是，在每個處理器內(nèi)部并不需要埋設微細的光纖。而是用一系列隱秘的隧道和洞穴構成十字交叉網(wǎng)絡來傳輸光脈沖;而微小的鏡面和感應器則用來中轉和解釋數(shù)據(jù)。

這是傳統(tǒng)的硅電子與光學元件的混合——也叫做硅光子技術，這種技術可以讓計算機變得更綠色。因為激光器要比導線更省電，產(chǎn)生的熱量也更少。

“光電子可以說是一個圣杯，”Seiler稱。“它拓展了電子學，也是降低電源消耗的極好辦法，因為我們不再有發(fā)熱的導線了。”

2010年2月，Michel與其同事Lionel Kinerling和Jifeng Liu成功地創(chuàng)建并測試了一塊帶有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Tb，比當今最好的導線連接芯片速度快了兩個量級。

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

這塊芯片是利用現(xiàn)有的半導體處理技術再加上一些其他附件制成的，所以Michel據(jù)此認為向激光連接芯片的過渡可能會在下一個五年中出現(xiàn)。如果進一步的測試取得成功的話，麻省理工學院將會批準立項，這種芯片就有可能在2015年左右進入商用階段。

對這種芯片的需求是前所未有的。因為到了2015年，極有可能會在計算機芯片上出現(xiàn)64顆獨立的處理內(nèi)核，每個內(nèi)核都可以同時工作。“如果用導線連接這些內(nèi)核那肯定是死路一條，”Michel稱。“而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率。” #p#

新奇的電路：憶阻器

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

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。其存儲容量是閃存的兩倍，可以有足夠的空間儲存下從倫納德·伯恩斯坦[美國作曲家(1918-1990)——譯者注]到Lady Gaga的所有樂曲。

“如果我們想要重新設計今天的計算機技術，那就應該使用憶阻器內(nèi)存，”惠普實驗室量子科學研究小組的高級研究員兼負責人R.Stanly Williams說。“對于未來的電子學而言，這是一種非常重要的架構。”

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

為了構建其憶阻器，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長的平行山脊。而在表層下面是另一層與其成直角的相同結構，從而形成了一個類似網(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納米長的管子。”(1個納米是1米的10億分之一，粗略地講相當于頭發(fā)絲直徑的萬分之一)關鍵在于任意兩條相鄰的導管可以用表層下的一個電子交換器來連接，從而生成一個內(nèi)存單元。通過調(diào)整導管兩端的電壓，科學家們便可打開或者關閉微型電子交換器，從而像傳統(tǒng)的閃存芯片那樣存儲數(shù)據(jù)。

這些叫做電阻式RAM(ReRAM)的芯片大致可儲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，而且其反復讀寫次數(shù)可達百萬次以上，是閃存的10倍。ReRAM的特殊優(yōu)勢還在于，其讀寫速度相當，而閃存寫數(shù)據(jù)的時間則要比讀數(shù)據(jù)的時間長很多。

惠普與韓國的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備，例如音樂播放器(可存儲TB字節(jié)的音樂)、視頻播放器和電子書等。此類芯片預計會在2013年的某個時候上市。

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)關機或者斷電時，其儲存的內(nèi)容也不會消失，這是和DRAM不同的。事實上，Williams甚至認為，ReRAM可能會開啟一個所謂即時計算的時代。要知道，今天的電腦即便沒有完全關機，只是進入睡眠狀態(tài)，要想喚醒它訪問數(shù)據(jù)也需要數(shù)秒到一分鐘的時間。而配備了ReRAM的設備，無論何時開啟設備皆可即時響應。

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

Williams認為，更重要的是，憶阻器還可以在一塊芯片內(nèi)進行堆疊，構成憶阻器陣列，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補充道。“我們能夠在10年內(nèi)研制出Pb傳輸速率的芯片。”這將是一個擁有百萬GB的存儲空間，足可在一塊指甲大小的芯片上儲存全球一年內(nèi)所生產(chǎn)的所有值得保存的高清視頻。

“憶阻器的首個應用應該是內(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年甚至更長時間，但這一技術肯定將會改寫基本的電腦設計。2010年，惠普的研究人員已發(fā)現(xiàn)，憶阻器除了存儲用途之外，還可以進行邏輯運算，這就意味著從理論上說，存儲和計算兩種功能可以在同一芯片上進行。

Williams說，“一塊憶阻器芯片便可替代好幾塊電路，這將會簡化計算機的設計、制造和操作。”比如說，一塊憶阻器就能夠完成目前的處理器緩存中構成一個靜態(tài)RAM單元的6個晶體管的工作。

在Williams看來，利用憶阻器技術甚至可能創(chuàng)建人工神經(jīng)元，可模仿人腦進行工作。但是在下一個十年或者更長一些時間之內(nèi)，還不存在這種可能性。

IBM物理科學部的主任Supratik Guha稱，憶阻器肯定會改寫電子學的規(guī)則。但是這項技術還需要進行不斷的驗證。“它確實有可能做成內(nèi)存元件，但是和其他任何技術一樣，在它能跑之前必須先學會走，而在能走之前必須先學會爬行。”

換句話說，憶阻器技術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)過漫長的演進過程。 #p#

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。

這種情況將會在未來幾年內(nèi)出現(xiàn)改變，因為芯片廠商都在芯片的厚度方向上進行挖掘，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，羅切斯特大學的研究人員已經(jīng)設計并研制出了層層相疊的3D電路。但是據(jù)IBM的Guha觀察認為，這兩種方法都過于復雜和昂貴了。

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技術公司所研制的ABAX芯片的設計思路。

ABAX芯片上可重編程電路層的完美設計思路。

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)品可在轉瞬之間進行電路變更，相當于一塊8個不同芯片層重疊的芯片。

“我們可以把它想象成一座8層樓高的倉儲超市，”Tabula總裁兼CTO Steve Tieg說。“你可以乘電梯上下各樓層，購買不同的物品。”但是和實際重疊8個不同的物理層，每層都有自己的物品排列和分類不同，Tabula的芯片實際上只有一層，但它找到了一種辦法，可以按需進行重新配置和變更。

“這就好比當你還在電梯間上下時，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補充道。“從外部看仿佛有8層樓高，但實際上卻只有1層。”

為了進行功能變更，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和責任，這一過程只需80微微秒——這一速度比芯片的計算周期快1000倍。因此在芯片等待其下一個計算指令期間，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)的半導體工藝技術制作，而其成本也與制作一塊傳統(tǒng)芯片差不多。盡管這種設計思路也只用到了芯片的淺表層，但是單這一層便相當于8塊不同的芯片。按照Tieg的說法，該技術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。

這種設計思路預示著一個半導體新時代的來臨，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。“芯片的虛擬化運行可以在效率和靈活性方面獲得極大收益，”NIST的Seiler說。“關鍵問題就在于如何對其編程。”

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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則主要關注有特殊用途的芯片市場。這些芯片是網(wǎng)絡時代的馱馬，它們主要用于無線路由器和手機發(fā)射塔等設備。

下一步，Tabula計劃針對一些主流電子設備制作芯片，比如數(shù)碼相機、視頻游戲機，甚至有可能是全功能計算機。該公司目前的8層設計已進入生產(chǎn)階段，12層芯片的研制正在順利進行，而20層芯片的設計已經(jīng)上了繪圖板。“從理論上講，能層疊多少層是沒有限制的，”Tieg稱。 #p#
 

從煤煙顆粒到集成電路：石墨烯

在過去的45年里，幾乎和鐘表一樣準確的是，在計算機芯片上的晶體管數(shù)量大約每兩年就要翻一番，這就是和引力定律一樣有效的摩爾定律。隨著芯片上的有源元件越做越小，價錢越來越便宜，要想把數(shù)量越來越多的有源元件硬塞進芯片中去會不可避免地導致復雜性和耗電量的大幅增加——因此新一代芯片的使用成本和前一代芯片相比并沒有太多變化。

晶體管數(shù)量過大有可能最終會使傳統(tǒng)的芯片設計走進死胡同。如果科學家們想把越來越多的晶體管塞進一塊芯片中去，那么有源元件的尺寸就得小于14納米(粗略地講，14納米僅相當于血液中2個血紅蛋白分子的大小，或者一粒滑石粉末的千分之一)。

石墨烯就是按照蜂窩圖案排列的碳的單原子層。

一種被稱為石墨烯的物質(zhì)有可能會給摩爾定律帶來新的生機，因為它有可能進一步擴展硅技術的發(fā)展疆界。石墨烯就是只有一個原子厚度的碳原子按照六角形圖案排列成的單原子層。在電子顯微鏡下，石墨烯看上去就像是鐵絲網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)的混合。

“這種結構不僅看上去很奇特，而且具有不可思議的特性，”佐治亞州理工學院納米實驗室的Walt de Heer說。“石墨烯是一種制作電子元件的奇妙材料。它不僅傳輸速度快，不需要太多能量，而且外形可以做的非常之小。它的性能遠勝于硅，而且能做很多硅做不到的事情。它可能代表著電子學的未來。”

半導體研究人員從上世紀70年代起就已經(jīng)在拿石墨烯做各種實驗，但是要制作出超薄的蜂窩層來也存在著很大的困難。曼徹斯特大學的研究人員Andre Geim和Konstantin Novoselov在2004年成功制作出了石墨烯單原子層(這一成就和他們在石墨烯研究上的其他一些進展為他們贏得了2010年度的諾貝爾物理學獎)，從那時起，這一領域的進展可謂神速。

今年初，de Heer的小組已經(jīng)編織出了石墨烯導線——這是研制微晶片最基礎的一步——其寬度約為10納米，利用晶體的面衍生現(xiàn)象來放置一層純石墨烯從而制成一塊硅芯片。(面衍生是指一種晶體層以一定的規(guī)則取向關系生長于另一種晶體表面之上的現(xiàn)象，這一衍生層會模仿基層的結構。)

最終，電子層的結構會小到1納米厚，電子在其中的傳輸速度會比在硅片中的傳輸速度快很多，de Heer說。“一旦成功，石墨烯就能夠制成太赫茲處理器。這一速度要比今天最快的硅芯片快20倍。”

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 佐治亞理工學院的Walt de Heer：“一旦成功，石墨烯就能夠制成太赫茲處理器。”

明年，佐治亞理工學院的這個小組希望能夠完成石墨烯集成電路原型，并利用試驗臺探索該物質(zhì)的獨特性質(zhì)，為研制集成電路做進一步的精煉。

與此同時，IBM的研究人員已經(jīng)采用標準的半導體制作工藝生產(chǎn)出了用于實驗的石墨烯晶體管和集成電路。IBM的Guha指出，這是將石墨烯推向工業(yè)規(guī)模使用的第一步。

“這一領域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?rdquo;他說。“在軍事和無線技術上擁有廣闊應用前景，而且存在著與硅相互集成的可能性。現(xiàn)在需要的是做大量的工作以說明它有能力制作放大電路，或者生產(chǎn)大面積的高質(zhì)量石墨烯有源元件進行集成。”

盡管按照進展情況，首個石墨烯產(chǎn)品可能會在2013年問世，但是不能因此而預計會很快出現(xiàn)采用了石墨烯芯片的超高速筆記本電腦。由于石墨烯產(chǎn)品價格昂貴，所以最初可能只有一些不在乎成本，只在乎計算速度和低能耗的特殊場合才會用到它。

同樣的，我們今天所看到的很初步的石墨烯集成電路也因為價格昂貴只能用于軍事和空間應用等特殊項目，在這些項目中，成本不是主要考慮因素。NIST的Seiler稱，“這個領域的歷史就是這樣，初期產(chǎn)品成本昂貴并且稀少，然后越來越便宜，最后到處都是此類產(chǎn)品。”

惠普實驗室的Williams補充道，“石墨烯是制作超高速芯片的一種新途徑，它擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ陜?nèi)就有可能成為普通產(chǎn)品。” #p#

印刷電路：讓芯片的制作更便宜

標準的半導體工藝涉及一系列錯綜復雜的步驟，所有步驟都需要在一個造價昂貴的清潔空間中進行，以防止灰塵和污染物毀壞電子元件。不過施樂公司正在研發(fā)一種更便宜，也更方便的制作電子元器件的方法，就是在一塊塑料薄片上印刷電路。這一工藝所需要的設備成本可能只需要數(shù)十萬美元，而不是像傳統(tǒng)的芯片制造工廠，比如英特爾最近在亞利桑那州破土興建的芯片工廠那樣需要數(shù)十億美元之巨。

施樂公司PARC研究實驗室商業(yè)部的前任主任Jennifer Ernst說，“常規(guī)的電子元器件工藝的確能實現(xiàn)快速、微型，但是成本高昂，”而通過直接在塑料薄片上印刷電路，PARC實驗室正在讓電子元器件的制作變得“緩慢、個兒大，但是便宜”。

PARC的設計是在基材上直接印刷電路，這多少有點兒像在信封上加蓋郵戳。但是這需要一些特殊材料，例如銀墨，不過這些設備可以在柔性的聚乙烯薄片上進行印刷而不能在較脆的硅片上印刷。實際上，這種工藝的成品可能不能再叫做芯片了。

利用多種印刷工藝，包括噴墨、壓印和絲網(wǎng)印刷，PARC已經(jīng)制作出了放大電路、電池和交換電路，而其成本卻只是傳統(tǒng)方法的一個零頭。利用這種方法，該公司最近已成功地制作出了一塊20位的內(nèi)存和控制電路，計劃在明年開始銷售。與MB級別的閃存和DRAM芯片相比，其成本可大幅下降，而這只是個開始。

另一個有趣的印刷電路項目是探測感應器磁帶，這是PARC實驗室為美國國防部高級研究項目署(DARPA)研發(fā)的。該項目把電路印刷在柔性磁帶上，而這種磁帶可以貼在士兵的頭盔上。再利用頭盔后部的柔性膠卷電池供電，這種感應器可在戰(zhàn)場上測量出壓力(最高100psi，約合0.689Mpa)、加速度(最高1000Gs)、噪音級別(最高175分貝)和光亮度(最高400流明)。

PARC研制的柔性磁帶含有可測量壓力、噪音和光亮度的感應器，可供戰(zhàn)場上的士兵使用。

士兵在穿戴這種感應器一周后，可從頭盔上撕下磁帶將其交給某個實驗室，在這里，數(shù)據(jù)可以下載分析，這樣醫(yī)生就可以看出該名士兵的大腦是否有損傷。Ernst說，“這種成本不到1美元的感應器可以取代7美元一個的感應器，而其性能卻一樣的好。”

至于說到缺陷，印刷電路可能永遠也達不到硅芯片的速度，也不太可能在指甲蓋大小的面積上集成數(shù)十億個晶體管。但是在很多需要考慮成本而無須考慮速度的場合下，它卻有著廣泛的用途。預計最早在2012年初，這種印刷電路芯片就會開始在玩具和游戲中出現(xiàn)，還有像合成語音設備、用于控制安全氣囊打開的汽車座椅感應器等也會用到此類芯片。雖然印刷電路元件和傳統(tǒng)的硅電子元件相比速度較低，但是對于控制氣囊這樣的事情來說，其速度是足夠快的。 

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這款顯示器是由PARC在一塊柔性塑料薄片上制作的印刷有機半導體制成的，其成本比傳統(tǒng)顯示器便宜了很多。

Ernst預計，大約在2015年，這種印刷電路就會在一些非常有趣的場合出現(xiàn)，例如不用時可以卷起來的柔性電子書，或者帶太陽能電池纖維的衣物，這種衣物可以給音樂播放器或者手機電池充電。市場分析公司IDTechEx預測，這種柔性印刷電路設備的銷售將會從2010年的10億美元增長至2016年的450億美元。

IBM的Guha也看到了印刷電路的美好前景。“只要在制作電子元器件時不再需要清潔車間，其成本就會大幅下降。低成本、環(huán)境稍差一些的生產(chǎn)環(huán)境對于很多用途來說已經(jīng)夠好了，這種環(huán)境下生產(chǎn)出的電路同樣擁有可以接受的質(zhì)量。”#p#
 

術語

面衍生：是指一種晶體層以一定的規(guī)則取向關系生長于另一種晶體表面之上的現(xiàn)象，這一衍生層會模仿基層的結構。

鍺：在元素周期表中處于鎵和砷之間，比硅低一行，鍺(Ge)主要用于光纜。

石墨烯：碳原子按照六角形排列的單原子層，石墨烯擁有多種新奇的電子學特性，例如電子在其中傳輸?shù)乃俣纫仍诠柚锌斓枚唷?/p>

憶阻器：一種結合了存儲和電阻的新穎的電子結構，這種設備可以簡化并加速電子的執(zhí)行速度。

摩爾定律：由英特爾共同創(chuàng)始人戈登·摩爾在上世紀60年代末所提出，該定律認為每過兩年，芯片上的晶體管密度就會大致翻番，芯片的性能會更加強大。

ReRAM：電阻式RAM是利用憶阻器技術制成的，可替代閃存。