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发表于2020-06-17
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从光子电脑到奈米碳管,为什幺跳跃式的科技创新这幺难?

从光子电脑到奈米碳管,为什幺跳跃式的科技创新这幺难?

以硅为主体的半导体工业,已主导整个产业发展达半世纪之久,但因硅的材料特性有许多缺点与限制,科学家一直想要找到更新的材料或技术取代它,因此陆续出现了光子电脑(Photonic computer)、量子电脑(Quantum computer)、奈米碳管(Carbon Nano Tube,CNT)、石墨烯(Graphene)等全新的技术与材料,希望能够一次彻底翻转半导体工业,但是这些新材料或技术常常被媒体报导炒热之后,却又默默无寂而终,到底这些新科技的发展瓶颈在那里?为什幺这种跳跃式的科技创新这幺难呢?

积体电路的基本元件:MOS

MOS 是目前半导体产业最常使用的一种电晶体,科学家将它製作在硅晶圆上,是数位讯号的最小单位,我们可以想像一个 MOS 代表一个 0 或一个 1,就是电脑里的一个「位元(bit)」, 当 MOS 不导通代表这个元件处于「关(OFF)」的状态,我们可以想像成这个位元是 0;当导通代表这个元件处于「开(ON)」的状态,我们可以想像成这个位元是 1。电脑是以 0 与 1 两种数位讯号来运算;我们可以想像在硅晶片上有数十亿个 MOS,就代表数十亿个 0 与 1,再用金属导线将这数十亿个 MOS连结起来,电子讯号在这数十亿个 0 与 1 之间流通就可以交互运算,最后得到我们所需要的加、减、乘、除运算结果,这就是电脑的基本工作原理,对 MOS 的工作原理有兴趣可以参考这里。

MOS 是控制电子来进行开关,关(OFF)代表 0,开(ON)代表 1,但是却有许多限制,由于电子在金属导线里前进会有电阻因此速度仍然不够快,而且电阻会产生热造成元件温度上升,还有其他许多材料特性的限制,让科学家一直想要找到新的材料或技术来取代它。

光子电脑

目前被提到的取代方法之一,是以光子(Photon)来取代电子(Electron),则暗(OFF)代表 0,亮(ON)代表 1,称为「光子电脑(Photonic computer)」。这个原理一点也不困难,因此早在 30 年前就有科学家提出「光脑(Optical computer)」的概念,为什幺这幺多年过去了,要使用光脑来取代电脑却如此困难呢?

注:光子(Photon)其实就是光(Light),爱因斯坦研究光电效应发现光其实应该和电子一样是一颗颗的称为「光子(Photon)」,他也因此项发现获得了 1921 年的诺贝尔物理奖。光就是光,科学家说它是光子,听起来是不是立刻就「高档」了起来?甚至有人可能还在想这是什幺创新的技术,其实我们每天眼睛一张开就有一堆「光子」射进你的眼睛啦!光子不易控制

将电子元件缩小堆积起来称为「积体电路(Integrated Circuit,IC)」,而将光学元件缩小堆积起来称为「积体光学(Optic Electric Integrated Circuit,OEIC)」,在积体光学元件上可以导光的通道称为「光波导(Optical waveguide)」。要发现一个材料或技术能够表现出开(ON)与关(OFF)两种状态并不困难,但是积体电路最麻烦的并不只是如何製作 MOS,而是如何将製作好的 MOS 用金属导线连接起来形成数位逻辑电路,这是积体电路设计主要的工作,我们称为「逻辑设计(Logical design)」与「实体设计(Physical design) )」,包括积体电路「布局(Place)」与「绕线(Routing)」。

光的速度比电快很多,但是要控制光却也比控制电困难许多,在积体电路(IC)内或印刷电路板(PCB)上的金属导线,不论线路如何複杂,电子都会乖乖的沿着金属导线前进,简单的说,电子可以 90 度直角转弯,如图一(a)所示,因此电子元件可以缩小;但是光的特性是沿着直线前进,如果我们在光学元件上製作一条 90 度的光波导(可以导光的通道),如图一(b)所示,则光会直接冲出去而不会乖乖转弯;一般而言,光转弯的角度必须小于 5 度,如图一(c)所示,因此光学元件不易缩小。

从光子电脑到奈米碳管,为什幺跳跃式的科技创新这幺难? 图一:电子在金属导线与光子在光波导上前进的差别。

简单的说,电子好像汽车,马路就像金属导线,汽车可以在马路上90度转弯;光子好像火车,光波导就像铁轨一样,而光子在光波导上前进就像火车在铁轨上前进一样,火车就是因为无法大角度转弯,因此铁轨会尽量设计成直线前进,如果要转弯就必须拉长距离,大家有看过铁轨做成 90 度转弯的吗?如果不能,那这样的元件如何缩小呢?因此就算找到了可以取代 MOS 的光学元件,要靠小于 5 度的光波导来布局与绕线,又要能够做出很小的晶片,基本上是非常困难的。为了让光能够大角度转弯以缩小积体光学元件的尺寸,有科学家创造了「光子晶体(Photonic crystal)」,不幸的是,理论计算出来的光子晶体以目前的工程技术与光学原理来检视,仍然遭遇许多困难而无法实现。

光子储存问题

要製作处理器最重要的除了能够进行开关的电晶体,另外一个就是记忆体,也就是大家耳熟能详的 DDR 与 Flash 了,DDR 是使用电容来储存电子,Flash 是使用浮动闸极(基本上也是一种电容结构)来储存电子,但是光子要如何储存呢?答案是,目前科学家仍然没有找到能够储存光的元件,大家千万别想到 CD 和 DVD 唷!这种元件只是利用凸起和凹洞使光反射回来有多(代表 1)有少(代表 0)而已,并不是真的把光储存起来,由于没有能够储存光子的元件,因此要用光子来做运算仍然是非常遥远的事。

十月初英国牛津大学(University of Oxford)等四所学校的研究人员成功研发光子为主的新式记忆体发表于学术期刊 Nature Photonics 中,它是利用相变化材料(Phase Change Material,PCM)锗锑碲合金(GST)的结晶相(Crystalline)代表0、非晶相(Amorphous)代表1,主要是改变光波导的光学性质产生暗(OFF)代表0,亮(ON)代表1,概念上很接近光的记忆体,但是锗锑碲合金其实是相变化光碟(CD-RW)所使用的材料,它的原理仍然不是真的把光储存起来,而且相变化(结晶相变非晶相、非晶相变结晶相)的反应速度很慢,因此要达到光子电脑的速度基本上是非常困难的事。

科学家的迷思:有开(ON)与关(OFF)就有电脑

由于积体电路(IC)最基本的元件是控制电子来进行开(ON)与关(OFF)的 MOS,因此科学家只要发现任何材料或技术能够显示出这两种状态,就说未来可以取代硅改变半导体工业。因此物理学家发现某些物质具有向上自旋(代表 1)与向下自旋(代表 0)两种量子状态,就说可以取代硅成为「量子电脑(Quantum computer)」;化学家发现某些有机分子(环状烃)的环状结构具有失去电子而正转(代表 1)与得到电子而反转(代表 0)两种转动状态,就说可以取代硅成为「分子电脑(Molecular computer)」。

我们只能说,成为一位科学家必须想像力丰富,才能创造出全新的科学世界;而成为一位工程师,除了要有想像力,更需要有耐心将科学原理放大到工厂里大量生产成为产品,而这个过程才是科技创新最困难的地方。有了光子、量子、分子,不等同于有了电脑,因为利用光子、量子、分子製作出具有开与关两种状态的元件并不难,但是要把这些元件连接起来形成数位逻辑电路,并且在工厂里达到 90% 以上的良率大量生产成为产品却很不容易。

奈米碳管与石墨烯:工程上难以量产的「高科技」

1991 年科学家发现奈米碳管(Carbon Nano Tube,CNT),2004 年科学家发现石墨烯(Graphene),这两种新材料结构都是由碳原子组成,只是原子排列方法不同而已,如图二所示,这两种材料具有比硅更好的特性,包括:良好的导电性与导热性、极高的材料强度等。

虽然这几年手机处理器进步很快,但好像只是由双核心进步到四核心、八核心,而处理器的工作频率(MOS 每秒钟的开关次数)大约都在 2GHz 左右,并没有太大的进步,这是硅原子天生的限制;而使用碳原子的奈米碳管或石墨烯来製作电晶体,则处理器的工作频率有机会超过 100GHz。

最近 IBM 宣称已经製作出奈米碳管电晶体(CNT transistor)、石墨烯电晶体(Graphene transistor)等元件,目的就是要取代 MOS,他们将金属钼 (Molybdenum)銲接到碳奈米管两端来维持电晶体内部低电阻,并且将奈米碳管的管径缩小到 10 奈米以下,听起来真是科技跳跃式创新的绝佳材料,但是奈米碳管目前主要是使用气相沉积法製作,成长好的奈米碳管就像杂草一样,而这堆乱七八糟的杂草管径只有 10 奈米(病毒的尺寸大约100奈米),工程上该如何将管径只有 10 奈米的东西放到硅晶圆上把它连结在源极(Source)与汲极(Drain)之间形成电晶体呢?而且还要一根一根排列整齐,还要在上面进行「布局(Place)」与「绕线(Routing)」,说真的,只要进过实验室做过这种材料製程实验的人,想到这里应该开始头皮发麻了。

注:大部份的人没有亲眼看过奈米碳管,很难把它和杂草联想在一起,有兴趣看看奈米碳管的人可以参考这里,这些是奈米碳管的电子显微镜照片。

其实从这些材料的发现到现在已过了十几、二十年,为什幺这种跳跃式的科技创新仍像是纸上谈兵,没有看到它改变半导体工业?从上面的说明大家就可以感觉得到,虽然这些科学上的新发现带给我们对未来的无限憧憬,但是十几、二十年内要把这些东西在工厂里达到 90% 以上的製程良率大量生产成为产品,真的是不太可能的。

注:处理器的工作频率可以想像成 MOS 每秒钟开(ON)与关(OFF)的次数,G=10 亿,2GHz 代表每秒钟的开关 20 亿次。从光子电脑到奈米碳管,为什幺跳跃式的科技创新这幺难? 图二:奈米碳管与石墨烯都是由碳原子组成。

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