五大突破性芯片技术 改变未来计算

10/10/2011，网界网编译 据国外媒体报道，请想象一下这样一个世界：各种电子设备可以自己充电，音乐播放器可以终其寿命不停地播放歌曲，电池可以自充电，芯片可以实时改变其处理能力等等。根据美国各大实验室正在研究的项目来看，所有这些事物并非没有可能，而是极有可能。

　　“未来五年对于电子学来说将会是一段非常令人激动的时期，”美国商业部所属国家标准与技术研究院(NIST)半导体电子学分部的主任David Seiler说。“今天很多看上去像是不着边际的幻想，明天都有可能变成司空见惯的事物。”

　　NST的David Seiler：今天很多不着边际的幻想很快就会变成现实。

　　本文将带领你去漫游一下未来的电子世界。其中的一些概念听起来很像梦幻，还有一些是期待已久但还未实现的概念，不过它们都有一个共通之处，那就是它们全都已经在实验室中进行了演示，已经有望在未来五年左右的时间内成为商用产品。

　　本文共分两大部分，第一部分主要讲述芯片级的发展，处理器传输数据不再使用导线连接的电路，而是使用激光，新材料的出现可能会让传统的硅材料变得一文不值。这些技术可以为大量新型的创新产品提供构建模块，而其中的一些技术甚至可能是我们今天根本无法想象的。

　　第二部分将会讲述关于接入、电源与控制领域的五大创新技术。

　　没有导线的芯片：激光连接

　　如果用显微镜仔细查看任何一块微处理器就会发现，其中有数百万条极细微的导线在连接每个有源元件。而在微处理器的表面之下，还有更多的导线存在。麻省理工学院微光子中心的一位研究人员Jurgen Michel希望用快闪锗(Ge)激光器完全取代这些导线，用红外线来传输数据。

　　Michel解释道，“当处理器的核与元件越来越多时，提供内部连接的导线就成了阻碍数据连接提速的障碍。我们使用光子而非电子，可以让连接变得更容易，更快速。”

　　利用光速的光子来传输数据，Ge激光器传输位和字节的速度要比通过导线传输的电子快100倍，这就意味着芯片各核心与其内存之间的关键连接不会再拖其他元件的后腿。恰如电话网络的光纤通信要比前一代的铜缆更高效一样，芯片中的激光会让计算超高速运转。

　　麻省理工的这套系统最妙的部分是，在每个处理器内部不再需要埋设细微的导线。而是用一系列隐秘的隧道和洞穴构成十字交叉网络来传输光脉冲;而微小的镜面和感应器则用来中转和解释数据。

　　这是传统的硅电子与光学元件的混合——也叫做硅光子技术，这种技术可以让计算机变得更绿色。因为激光器要比导线更省电，产生的热量也更少。

　　“光电子可以说是一个圣杯，”Seiler称。“它拓展了电子学，也是降低电源消耗的极好办法，因为我们不再有发热的导线了。”

　　2010年2月，Michel与其同事Lionel Kinerling和Jifeng Liu成功地研制并测试了一块带有Ge激光数据传输器的功能电路。这块芯片的传输速度超过了每秒Tbit，比当今最快的导线连接芯片速度快了两个量级。

　　Ge激光器研发小组(从左至右)：麻省理工学院教授Lionel Kimerling、Jurgen Michel以及研究员Jifeng Liu，后者现任Dartmouth大学副教授。

　　这块芯片是利用现有的半导体处理技术再加上一些其他附件制成的，所以Michel据此认为向激光连接芯片的过渡可能会在下一个五年中出现。如果进一步的测试取得成功的话，麻省理工学院将会批准立项，这种芯片就有可能在2015年左右进入商用阶段。

　　对这种芯片的需求是前所未有的。因为到了2015年，极有可能会在计算机芯片上出现64颗独立的处理内核，每个内核都可以同时工作。“如果用导线连接这些内核那肯定是死路一条，”Michel称。“而利用锗激光器来连接这些内核却存在着巨大的可能性和回报率。”

　　新奇的电路：忆阻器

　　假如你的MP3已经装满了曲子，而你觉得每次要删掉一只曲子才能下载新的曲子就像是在进行一次文化谋杀的话，那么忆阻器技术就会帮你的大忙。

　　这是自晶体管出现以来的一种全新的电子器件，可以说是一种比闪存更快、更耐用，也更便宜的替代品。其存储容量是闪存的两倍，可以有足够的空间储存下从伦纳德·伯恩斯坦[美国作曲家(1918-1990)——译者注]到Lady Gaga的所有乐曲。

　　“如果我们想要重新设计今天的计算机技术，那就应该使用忆阻器内存，”惠普实验室量子科学研究小组的高级研究员兼负责人R.Stanly Williams说。“对于未来的电子学而言，这是一种非常重要的架构。”

　　忆阻器，实际上就是带内存的电阻，最早是由加州大学伯克利分校的教授Leon Chua发明的，但是惠普实验室的忆阻器原型却直到2008年才进行过公开演示。

　　为了构建其忆阻器，惠普使用了二氧化钛和铂金的叠压;在电子显微镜下看，它们就像是一系列长长的平行山脊。而在表层下面是另一层与其成直角的相同结构，从而形成了一个类似网格的阵列。

　　二氧化钛和铂金的十字交叉叠压层的显微镜图像，从而产生了一行忆阻器。

　　Williams称，“你可以把它想象成一系列只有2到3纳米长的管子。”(1个纳米是1米的10亿分之一，粗略地讲相当于头发丝直径的万分之一)关键在于任意两条相邻的导管可以用表层下的一个电子交换器来连接，从而生成一个内存单元。通过调整导管两端的电压，科学家们便可打开或者关闭微型电子交换器，从而像传统的闪存芯片那样存储数据。

　　这些叫做电阻式RAM(ReRAM)的芯片大致可储存比同样面积大小的闪存芯片多两倍的数据，而其存取速度却要比闪存快上1000倍，而且其反复读写次数可达百万次以上，是闪存的10倍。ReRAM的特殊优势还在于，其读写速度相当，而闪存写数据的时间则要比读数据的时间长很多。

　　惠普与韩国的Hynix公司已经在联手开发可批量生产的ReRAM芯片，这些芯片可用于各种小型设备，例如音乐播放器(可存储TB字节的音乐)、视频播放器和电子书等。此类芯片预计会在2013年的某个时候上市。

　　ReRAM还可取代电脑中的DRAM。由于其所具有的不挥发性质，ReRAM即便在系统关机或者断电时，其储存的内容也不会消失，这是和DRAM不同的。事实上，Williams甚至认为，ReRAM可能会开启一个所谓即时计算的时代。要知道，今天的电脑即便没有完全关机，只是进入睡眠状态，要想唤醒它访问数据也需要数秒到一分钟的时间。而配备了ReRAM的设备，无论何时开启设备皆可即时响应。

　　惠普实验室的R. Stanly Williams：“我们能够在10年内研制出Pb传输速率的芯片。”

　　Williams认为，更重要的是，忆阻器还可以在一块芯片内进行堆叠，构成忆阻器阵列，从而有可能创建3D内存元件，更好地利用芯片的内部空间。和传统的只利用表层面积的芯片不同，这些内存元件可以深植入芯片内部，在同一个物理空间内生成更多的内存空间。

　　“能够堆叠多少层基本上没有什么限制，”Williams补充道。“我们能够在10年内研制出Pb传输速率的芯片。”这将是一个拥有百万GB的存储空间，足可在一块指甲大小的芯片上储存全球一年内所生产的所有值得保存的高清视频。

　　“忆阻器的首个应用应该是内存，”NIST的Seiler说，“但它的用途要比这广泛得多。在内存之外它拥有广阔的天地。”

　　尽管其普及似乎还遥不可及，可能需要20年甚至更长时间，但这一技术肯定将会改写基本的电脑设计。2010年，惠普的研究人员已发现，忆阻器除了存储用途之外，还可以进行逻辑运算，这就意味着从理论上说，存储和计算两种功能可以在同一芯片上进行。

　　Williams说，“一块忆阻器芯片便可替代好几块电路，这将会简化计算机的设计、制造和操作。”比如说，一块忆阻器就能够完成目前的处理器缓存中构成一个静态RAM单元的6个晶体管的工作。

　　在Williams看来，利用忆阻器技术甚至可能创建人工神经元，可模仿人脑进行工作。但是在下一个十年或者更长一些时间之内，还不存在这种可能性。

　　IBM物理科学部的主任Supratik Guha称，忆阻器肯定会改写电子学的规则。但是这项技术还需要进行不断的验证。“它确实有可能做成内存元件，但是和其他任何技术一样，在它能跑之前必须先学会走，而在能走之前必须先学会爬行。”

　　换句话说，忆阻器技术不可能一夜之间出现。在它能够取代流行的DRAM或者闪存之前，还需要经过漫长的演进过程。

　　可变化的芯片：可编程的层

　　从速度最快的处理器到最小的内存模块，电子工业今天所使用的每块芯片差不多都是一样的：它的有源元件都只利用了芯片硅材表面上大约1%到2%厚度的浅表层。

　　这种情况将会在未来几年内出现改变，因为芯片厂商都在芯片的厚度方向上进行挖掘，以便制作出越来越多的元件。比如英特尔已经在把一些成品芯片粘合在一起，罗切斯特大学的研究人员已经设计并研制出了层层相叠的3D电路。但是据IBM的Guha观察认为，这两种方法都过于复杂和昂贵了。

　　但如果我们能找到什么办法让电路可以按需重新排列的话，那么我们还需要把有源元件分成好几层吗?这种做法就是Tabula Spacetime技术公司所研制的ABAX芯片的设计思路。

　　ABAX芯片上可重编程电路层的完美设计思路。

　　和以往将数层的硬连线元件永久性蚀刻在硅片上无法更改的做法不同，ABAX采用了可重编程的电路，这种电路可根据需要改变自身的功能。已经研制出的ABAX产品可在转瞬之间进行电路变更，相当于一块8个不同芯片层重叠的芯片。

　　“我们可以把它想象成一座8层楼高的仓储超市，”Tabula总裁兼CTO Steve Tieg说。“你可以乘电梯上下各楼层，购买不同的物品。”但是和实际重叠8个不同的物理层，每层都有自己的物品排列和分类不同，Tabula的芯片实际上只有一层，但它找到了一种办法，可以按需进行重新配置和变更。

　　“这就好比当你还在电梯间上下时，楼层的内部已经重新安排了一遍，用不同的物品呈现出不同的布局，”Tieg补充道。“从外部看仿佛有8层楼高，但实际上却只有1层。”

　　为了进行功能变更，需要为该芯片的可重编程电路输入下一系列操作所需的各种任务和责任，这一过程只需80微微秒——这一速度比芯片的计算周期快1000倍。因此在芯片等待其下一个计算指令期间，便可瞬间变更电路层的布局。

　　毫无疑问，ABAX真可谓以少胜多。它可利用传统的半导体工艺技术制作，而其成本也与制作一块传统芯片差不多。尽管这种设计思路也只用到了芯片的浅表层，但是单这一层便相当于8块不同的芯片。按照Tieg的说法，该技术可成倍地增加电路的密度，内存和视频流量可提升3.5倍。

　　这种设计思路预示着一个半导体新时代的来临，在无须增加成本和额外耗电部件的情况下，单一电路层便可取代多层电路或者增加多种功能。“芯片的虚拟化运行可以在效率和灵活性方面获得极大收益，”NIST的Seiler说。“关键问题就在于如何对其编程。”

　　Tabula总裁兼CTO Steve Tieg：“从理论上讲，能层叠多少层是没有限制的。”

　　迄今为止，半导体行业的主攻方向主要是处理器、图形芯片和内存芯片，而Tabula则主要关注有特殊用途的芯片市场。这些芯片是网络时代的驮马，它们主要用于无线路由器和手机发射塔等设备。

　　下一步，Tabula计划针对一些主流电子设备制作芯片，比如数码相机、视频游戏机，甚至有可能是全功能计算机。该公司目前的8层设计已进入生产阶段，12层芯片的研制正在顺利进行，而20层芯片的设计已经上了绘图板。“从理论上讲，能层叠多少层是没有限制的，”Tieg称。