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从上世纪中叶电脑诞生以来，计算机的性能就在一路狂飙。我们每年购买的新的计算机，它的性能就是去年同样产品的两倍，这样的情况已经保持了70年的光景。之前，物理学家曾经被多次预言摩尔定律可能会崩溃，然而在不信邪的工程技术人员的努力之下，摩尔定律依然坚挺。不过，最近两年，有物理学家再次提出摩尔定律有可能崩溃时，工程技术人员的反应却是默默地认同，没有人再发出曾经的嘲讽。 图1 世界上第一台电子管计算机ENIAC 摩尔定律所依赖的物理学原理首先，计算机能够高速处理信号，取决于能够快速移动的电子。其次，由于激光的振荡频率非常快，所以利用激光的频率编码，我们能够传递的信息量就要比声波大得多，通过增加光缆的数量，我们传递信息的量几乎不受限制。再次，半导体的革命带来了突破性的进展，从单独的晶体管到集成电路，再到大规模集成电路，到今天的超大规模集成电路。现在，一个一平方厘米的面积内，已经可以包含几亿个晶体管。 超大规模集成电路是如何生产的？难以想象的是，这种只能在显微镜下才能看见的密集的晶体管的生产过程，跟我们当年使用的油墨印刷机的过程其实差不多。那时候，我们先在蜡纸上，用金属笔尖把内容写上去。然后放到油墨机上，当油墨滚滚过蜡纸表面，部分油墨就会从那些刻画过的线条上渗透过去，留在纸张上。 制作集成电路也是如此。首先是要做一块模板，这个模板上有几百万，上千万，甚至是更多的晶体管的轮廓。然后把这个模板放在有很多层硅的晶片上，利用紫外光聚焦在模板上，紫外光穿过模板的间隙使硅晶片曝光。 图2 紫外线光刻技术 这之后是把曝光过的晶片放在酸溶液中浸泡，刻蚀上电路的轮廓，就可以产生几百万个晶体管的芯片了。由于晶片可以包含很多的导电和半导电的层，通过控制酸浸的深度和模式，我们就可以生产出复杂的集成电路。 为什么摩尔定律会不断提升芯片的能力呢？科学家们通过不断缩短用于曝光的紫外线的波长，这样就可以让硅晶片上的晶体管越来越小。当把紫外线的波长调整到10纳米的时候，这意味着，可以刻蚀的最小的晶体管的直径大约只有30个原子的宽度。 2018年，华为宣布其7纳米工艺制造的麒麟980芯片取得成功，2019年，多款搭载了麒麟980芯片的手机已经上市，并且取得了良好的销售业绩。然而，当芯片的加工技术进入到了7纳米工艺之后，由于更加接近原子级别的尺寸，开始受到量子理论的影响，后续改进会越来越难。 图3 量子力学薛定谔的猫 根据量子力学的理论，我们不能同时知道任何粒子的位置和速度。虽然这是量子力学中最反直觉的理论，但是在原子级别上，我们确实无法知道电子在哪，所以说，电子不会完全被舒服在超薄纤细的导线或者薄层中，它会跑出来导致短路。 纳米技术有可能成为硅晶片技术的替代方案之一写到这里我突然想起来，我在90年代上大学的时候，系主任曾经给我们做了一次演讲，其中就提到了纳米技术。那次演讲，也使得我有好几个同学后来在读研究生和博士的时候选择了纳米研究方向。 很多人以为现在的物理学已经没有什么突破了，到了一个瓶颈期，当然了事实上也是如此。至20世纪初，已经100年过去了，物理学确实没有飞跃式的突破。然而，事实是，我们至今仍然有很多的细节问题没有解决，物理学家们，正在完善和丰富关于各种力在不同尺度下的作用效果的研究。 图4 碳纳米管 悟空问答里面就有好多关于什么蚂蚁放大1万倍能不能统治世界，鸡蛋和黄豆从同样高度自由下落谁先着地的问题。其实，这些问题的本质是另外一个核心问题，就是几何尺度的变化带来的不同的力的作用效果不同的问题。 其实不用把蚂蚁放大1万倍，只要把蚂蚁放大几百倍，放大到一匹马那么大，它就会出现严重问题，它的腿会断掉。这是因为当蚂蚁的尺度增加的时候，它的重量增加比腿的强度增加快得多。如果把蚂蚁放大10倍，那么它的体积和重量就会增加1000倍。然而它的力量和强度只增加100倍。所以说，放大的蚂蚁其实也只是一直弱爆了的蚂蚁。放大1万倍的蚂蚁，动都动不了，就不用想它能不能统治地球的问题了。 物理学的另外一个梦想是移动单个原子，如今，这种梦想已经部分实现了，这是一种被称为扫描隧道显微镜的装置。利用这种装置，科学家们可以看到和操作单个原子。这种显微镜有一个细针，它可以慢慢地从材料的表面划过，当针尖划过一个原子，通过针尖的电流就有一个非常微小的变化，科学家们通过检测这些微小的电流变化就能够打印出原子的轮廓。同样利用这根针，通过控制电流的变化，科学家们不仅可以看到原子，也能够移动这些原子。 图5 扫描电子显微镜 还有一种装置叫做原子力显微镜，这种显微镜可以清晰滴显示出非常好的原子排列的3D图像。虽然它也是用的很细小的针，但是它不是用电流控制，而是利用一个激光束照射在针尖上，当针尖划过原子的时候，针尖会发生轻微的颤动，这个颤动会被激光束用图像记录下来。 写到这里，我们必须要提到最有可能成为硅晶片的替代材料的纳米材料——碳纳米管。这种东西是由单个碳原子结合形成的一根管子，这根管子的每一个接头都是由碳原子组成的网。把这个网卷成一个管，就得到碳纳米管的几何形状。这种管子的强度比钢还强并且可以导电，所以用它来制造芯片是有可能的。目前生产出来的碳纳米管只有几厘米的长度。 现在我们即有了能操控单原子的工具，也有了纳米级别（原子级别）的材料。物理学家对于未来计算机芯片材料的设想也就出来了——原子（分子）晶体管。其实所谓的晶体管就是一个控制电流通过的开关。 目前可以使用的分子材料可以是轮烷和苯硫酚这种化学制剂组成的具有旋钮或者是阀门的长管。在正常情况下，苯硫酚的分子可以让电流自由通过，但它也可以关闭电流，通过这种方式，这个分子的作用就像一个能控制电流的开关。由许多这样的分子组合起来，就可以形成跟晶体管一样的集成电路了。 图6 原子力显微镜 目前，分子晶体管已经能够在实验室中制作出了，需要解决的问题是如何能把这些晶体管链接起来，并且可以实现工业化的量产。 另一个非常有希望成为硅晶片替代材料的是石墨烯，目前我国在石墨烯制备方面的技术走在了国际前列。这种东西其实也是石墨的一种，只不过是更薄的石墨，它由一层碳原子组成，只有一个原子的厚度。如果说，碳纳米管是一根管子，纳米石墨烯就像一张纸。 量子计算机可能成为硅晶片技术的第二个替代方案事实上，量子计算机已经不是科学家的幻象，它今天已经实际存在了。这种计算机靠单个原子本身进行计算，原子就像一个可以旋转的陀螺。如果我们把旋转向上定位数字0，旋转向下定位数字1，我们就可以把信息存储在这样的选择陀螺上。我们用某种方法，把旋转陀螺翻转，将0变为1，就相当于做了一次计算。 图7 IBM制造全球首台量子计算机 按照量子理论，一个原子其实是可以同时向上和向下选择的，所以事实上，原子可以包含比0和1更多的信息，它可以描述0和1的混合。所以我们说量子计算机使用的叫做量子比特而不是我们通常意义上的比特。比如，它可以是20%的旋转向上和80%的旋转向下。我们看到，这种量子比特可以存储的信息量要比我们现在的比特更大。 光学计算机可能成为硅晶片技术的第三个替代方案这是一种使用光速来计算的计算机，由于光线可以彼此穿过，所以光学计算机的优点是可以是立体的，不需要连线。目前，激光已经可以利用普通的晶体管一样的技术进行加工制造，所以在理论上可以在一个芯片上集成几百万、上千万的激光器。 量子点计算机可能成为硅晶片技术的第四个替代方案所谓的量子点计算机，就是利用现有的半导体技术，做出很小的一些点，这些点大约包含几十或者是近百个原子。这样，这些原子就可以有一个简谐振动。目前，科学家已经能够制造出由单电子组成的量子点。未来这种量子点也许可以用来制造量子计算机。 图8 量子点技术发光二极管 生物计算机技术可能成为硅晶片技术的第五个替代方案我们知道，氨基酸上的一串DNA编码信息是由字母A、T、C、G来代表的，这就比我们现在0、1比特包含的更多的信息。这样，这种编码的计算机就可以处理更大的数字，还可以利用混合的含有DNA的流体管进行模拟操作。比如对DNA分子进行切割和链接，虽然这个过程很慢，不过如果有机万亿个分子同时参与的话，那么其运算效率还是非常惊人的。 唯一不是很理想的是，这种计算机由很多管子组成，不是那么好看，所以不太可能出现在我们的家庭和个人应用当中。目前，第一台这样的生物计算机已经在1994年就由南加利福尼亚大学制造出来了。 写到这里，不知不觉地竟然码了3000多字了，该总结一下了。从前面的分析我们可以看到，基于硅晶片技术的计算机技术确实已经面临着一个瓶颈，不过这并不是我们今天计算机技术的终点。在未来，我们已经拥有多种新的硅晶片替代技术的解决方案，至于哪种方案能最后胜出，成为最大的赢家，需要等待时间和市场的检验。 毫无疑问的是，我们这一代人，必然能看到一个新的计算机时代的到来，让我们共同期待吧。如果您很喜欢这篇文章，欢迎您点赞、评论和转发的支持，我将持续为大家提供高质量的科普文章。 |
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