這項技術能讓芯片小于10納米 改變計算機的未來
[摘要]加利福尼亞理工學院試圖開發超小型真空管，用來替晶體管。和100多歲的老技術相比，新真空管尺寸只有之前的一百萬分之一。
計算的未來在哪里？也許在過去。20世紀 70年代，硅晶體管取代真空管用在眾多消費產品中。硅晶體管相當于小開關，用現代微電子技術制造。現在，為了讓晶體管尺寸進一步縮小，技術挑戰越來越大，真空管可能會再次回歸。
在加州理工學院校園的地下室里有一個黑暗的實驗室，兩名學生的眼光穿過塑料真空室的厚壁，注視著他們的寶貝——下一代計算機芯片，它用類似真空管一樣的電路制造，每個真空管的尺寸大約只有紅細胞的千分之一。
讓芯片更小
電子工程師有一個術語叫作“scaling”，也就是持續縮小電子電路的尺寸，它關系到我們的未來。問題在于，現在的電子電路跟病毒一樣小，繼續縮小越來越困難。
50多年前，物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）預言了微電子的崛起，他曾經說過“在底部還有很大的空間”。1959年，費曼作出猜測，人類將可以對單個原子進行工程操作，他當時說了這句話。幾年之后，英特爾聯合創始人摩爾（Gordon Moore）指出，在可預見的未來，硅片上可以植入的晶體管數量每隔一段時間就會翻倍。
然而，越來越多的證據顯示，提升的代價相當昂貴。制程緩慢縮小，兩代新芯片之間的時間周期越來越長，單個晶體管（雖然已經很小）的成本不再下滑。小小的晶體管困擾芯片設計者，因為芯片變小的時候也產生了許多不必要的熱量。
加利福尼亞理工學院納米制造集團（Nanofabrication Group）主管阿克塞爾·謝雷爾（Axel Scherer）與兩名學生馬克斯·瓊斯（Max Jones）、丹尼爾·盧金（Daniil Lukin）合作，試圖開發超小型真空管，用來替晶體管。在他們的實驗室里已經開發出電路，功能和真空管差不多，但是和100多歲的老技術相比，新真空管尺寸只有之前的一百萬分之一。
貝爾實驗室前電子工程師阿蘭·黃（Alan Huang）認為：“計算機技術可能是按周期發展的，上一代開發的某些算法有時會用在下一代產品中。”
上一次研發人員研究真空管還是在20世紀90年代，當時真空管有希望用來制造平板顯示器。但是最終技術并沒有騰飛，因為LCD更便宜、效率更高。
謝雷爾笑著說：“真空管大約每隔10年回歸一次。”
幾十年來，真空管一直重復相同的命運：每一次都有更好的替代技術。晶體管之所以能夠替代真空管，主要因為它不會產生高熱量，也不需要真空。只有在真空環境下，真空管電子才能在正帶電元素和負帶電元素之間跳轉。
英特爾聯合創始人摩爾（Gordon Moore）
新型真空管
在古老的家庭收音機和早期電腦內都有真空管，它們很笨重，加利福尼亞研究人員開發的真空管和老真空管不同。晶體管和真空管都能控制電流，但是它們的控制方式完全不同。
研究人員用金屬制造小管子，電流會在四個更小的探頭上流動，金屬小管子能控制電流的開關；在電子顯微器下，四個探頭看起來像是四個圓珠筆筆尖，它們緊靠在一起。
今天的晶體管有一個致命弱點：尺寸越小，泄露的電子越多。在現代計算機芯片中，大約一半的電能因為晶體管電子泄露而消耗。晶體管只有幾十個原子寬。泄露的電子會浪費電能，產生熱量。
與晶體管不同，在謝雷爾博士開發的微型真空管內，開關可以像柔術一樣移動，原理和晶體管泄露差不多（物理學家管它叫量子隧穿），最終防止電流在開關時泄露。謝雷爾相信，用現代真空管電路制造的芯片能夠超越今天的晶體管芯片，能耗更低，速度更快。
在謝雷爾看來，當前的晶體管要縮小，隧穿效應是一個問題，如果采用他的方法，隧穿效應完全可以被利用，成為下一代設備的開關。謝雷爾還指出，盡管許多人利用“隧穿效應”來重新設計半導體晶體管，但是他的方法要簡單很多。
為了開發性能更強大、能耗更低的芯片，工程師探索了許多方法，真空管只是其中之一。還有一些方法也有希望成功，比如采用特殊材料，碳納米管、微型機械開關都可以像電子門一樣開放或者關閉。
10納米以下
幾年前，加利福尼亞理工學院的研究人員開始轉向真空管研究；在此之前，他們試圖制造超小型白熾燈泡，大小比現代晶體管還小，燈泡發出的光線在整個房間都能用肉眼看見。
團隊之前還涉足過其它領域，比如量子點技術，它現在已經用在電視顯示屏上，是一種納米級架構，能夠提供更精準的色彩；團隊還研究光電技術，該技術試圖在電子電路中使用激光傳輸。后來團隊改變了研究方向，選擇那些競爭對手更少的領域。
今天，半導體公司（比如英特爾）使用尺寸10至20納米的晶體管制造芯片。一個DNA鏈的直徑大約是2.5納米。謝雷爾預測，當半導體產業的制程縮小到10納米以下，尺寸達到原子級水平的硅在行為方式會發生改變，研究人員會大吃一驚。例發，10納米以下的硅會發光，彈性也會明顯增強。
“它會變成不同的材料，行為也會完全不同。”謝雷爾說。
在謝雷爾看來，未來我們需要用其它材料來生產芯片，需要重新使用老辦法。
硅是一種半導體，根據化學改性的不同，硅要么導電，要么絕緣，二者只能選其一。與硅不同，謝雷爾的真空管可以用多種導電金屬制造，比如鎢、鉬、金、鉑。按照謝雷爾的設計，制造原子級的小開關要簡單許多。
當然，謝雷爾并不認為微型真空管可以很快替代晶體管，由于它可以應用在航空航天領域，波音已經開始關注此技術，它向研發提供了資金支持。2020年之前，采用新式真空管制造的專用芯片也許就可以商用了。
“10年前，硅晶體管可以滿足我們所有的需求。”謝雷爾說，“未來10年不再是這樣了。”
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