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晶片的前途

2011/02/07 | |

Original publish date:Sep 24, 2001

編輯 Fish 報導

喬治亞理工學院的研究人員預測矽基晶片仍有很大的發展空間。

根據James Meindl 等人的計算,在2011年左右,一個晶片所能承載的電晶體數目將是目前的千倍。此種晶片即所謂的兆級積體電路(TSI, Terascale integration circuits) 。屆時電腦的運算速度及功能和今日電腦的差別,就好像現今的機器和80年代初期笨拙的微電腦的差距那樣大。

為能在晶片上容納更多的電晶體,TSI所須的元件將遠小於現今的標準。舉個例來說,在元件中用以絕緣的二氧化矽薄膜,其寬度必須小於一奈米。而元件中其它部份的寬度也都不超過10 奈米。然而就目前刻製矽基電路的方法,既便是十倍於上述的標準,都已是件不容易的事。因此,TSI需要一些新的製造技術。儘管技術層面的挑戰將十分艱巨,Meindl等人認為TSI並不違反基礎物理或是材料科學的規則。

他們評估了物理、材料及電路組織(circuit architecture)對晶片容量的限制。比如說,量子力學中的不確定原理(uncertainty principle) 限制了元件在開與關兩個狀態間轉換的速度。信號傳遞的快慢則受到了光速的限制。從材料學的角度,為了確保電晶體的矽極與外界絕緣,元件的厚度會有個底限。再者,如何有效地將其它原子準確地滲入非常小的矽材內也是個大問題。這些原子和矽的電性習習相關。倘若它們在小尺度下分佈不均勻,元件可能會出毛病。設計電路時則得考慮組件之間的干擾(crosstalk),特別在組件彼此非常相近時。由於每一元件均會生熱,高密度元件組還會有因過熱而被溶掉的風險。

正是基於上述考慮,有些人擔心矽材已無前途,而未來電腦必須採用全新的材料和架構。Meindl和他的同事則減輕了這項疑慮。

原始論文﹕Meindl, J. D., Chen, Q. & Davis, J. A. Limits on silicon nanoelectronics for terascale integration. Science, 293, 2044 – 2049, (2001).

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