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摩爾定律有終結之日嗎?這些知識要知道

1959年12月18日,世界上第一台晶體管電腦——IBM7090由美國國際商用機器公司製造成功。從此,電腦進入了快速發展的時期。50多年來,電腦的發展速度一直遵循著“摩爾定律”。即英特爾公司創始人之一戈登·摩爾在20世紀70年代提出的規律: 集成電路上晶體管的集成度大概平均18個月會翻倍,電腦性能也將提升一倍。摩爾定律揭示了信息技術進步的速度之快。然而,集成技術的密集度,或者說集成電路的線寬不可能無限制地小下去,經典電腦將很快達到它的極限——三極管的大小將達到原子的尺度。有人預測,摩爾定律將於2016年走向終結。

摩爾定律有終結之日嗎?這些知識要知道

今年,會不會就是摩爾定律的終結之年?

戈頓·摩爾是芯片製造廠商英特爾公司的創始人之一,他曾在一篇論文中稱芯片上集成的晶體管數量會每年翻一番。後來他在另一篇論文中說芯片上集成的晶體管數量兩年翻一番。摩爾定律不是一種數學定律或者物理定律,它只是一種分析預測。這個預測由於多次被證實,所以影響比較大。

回顧電腦發展史,從第一台經典電腦問世以來,它們的大小經歷了天翻地覆的變化,從一個占據幾棟樓房的龐然大物縮小到了人們的手掌上、口袋裡。近20年,電腦技術更是經歷了巨大的革命性飛躍,單個芯片上三極管的數目及運算的速度都是以指數形式逐年上升。無論是60多年前的充滿整棟屋的龐然大物,還是現在的手機型電腦,基本原理卻是萬變不離其宗。

摩爾定律有終結之日嗎?這些知識要知道

預言摩爾定律將終結的論據主要有兩點:高溫和漏電。當集成電路的精細程度達到了原子級別,特別是當電路的線寬接近電子波長的時候,電子就通過隧道效應而穿透絕緣層,使器件無法正常工作,矽金屬的集成電路就將徹底終結。

隧道效應在微電子學、光電子學以及納米技術中都是很重要的,有很多用途。最早的應用就是掃描隧道顯微鏡。在光電子技術中,由於量子隧道效應,激光可以從一根光纖,進入相距很近的另一根光纖的內部,工程師們利用這個原理,製成了光纖分光器。1957年,受雇於索尼公司的江崎玲於奈在改良高頻晶體管的過程中發現負電阻現象:當增加pn結兩端的電壓時,電流反而減少。這種反常現象可以用隧道效應來解釋。此後,江崎利用這一效應製成了隧道二極管。近年來,人們發現了宏觀的量子隧道效應,觀察到一些宏觀物理量,如微粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等,也顯示出隧道效應。

這種宏觀量子隧道效應將會是未來微電子器件的基礎。摩爾定律是否將會終結,關鍵在於新型的電子技術能否擔起繼續發展的重任。近些年來,一些新奇量子材料如拓撲絕緣體的發現,使得宏觀量子隧道效應的應用更加多樣化。


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