微型化哪是头？

　　现在的电脑之所以这么强大，是因为它们是由许多越来越微型的零件组成的。我们已触及到了微型化的极限，是否还可以再超越极限？

　　你的电脑非常了不起……是的！即使你觉得它在老化，即使它在你“大战外星人”时运行越来越费力，这台机器依然是人类智慧的瑰宝。它的大脑是一小片微处理器，在一个指甲盖见方的表面聚集了几百万个晶体管！这还不算什么，最新几代芯片甚至可以集成15亿个晶体管！这一切是否有止境呢？可能不再遥远。电子工程师认为，晶体管神奇的增长势头已至尾声。但是我们并不用担心，电脑的发展前景并不会因此而受阻。我们看到，新的电子革命正在酝酿之中……

　　直到现在，电脑性能的提高似乎还是“摩尔定律”的杰作。戈登·摩尔（Gordon Moore）是英特尔公司（Intel）的创始人之一，他提出了每两年芯片上的晶体管数翻倍的定律。这条定律从1970年代至今都或多或少得到了证实，晶体管的数量也从每张芯片2300个到达了现在超过10亿个之多。芯片的组成零件因此缩小到了惊人的程度。现如今，14纳米大小的零件已经面世，差不多相当于让150个原子排排站……没错，微型化已经达到了百来个原子的层面！但是，这却会对电路的运行产生一定影响。

　　为了弄明白一旦到了这个尺度会发生什么变化，让我们先来认识一下什么是晶体管。事实上，晶体管大致上起到一个能够受远程控制的开关的作用，由“发射器”源极，“收集器”漏极组成，两者由受栅极控制的沟道隔开。要接通“发射器”与“收集器”，只要在栅极上施以足够强的电压。这在某种程度上就相当于打开栅极，让电子通过。但当电压不复存在时，砰！栅极闭合，电流停止。晶体管的作用仅限于此（它也能够放大电流，但这是另一回事了……）。

　　然而电子游戏缤纷绚丽的画面让我们难以相信这一切都是晶体管的功劳。不过，明白了原理之后，就很容易理解了。电脑只能识别一种由0和1这两个数字构成的简单语言，即二进制语言。所有的程序都由二进制语言写成，也就是一连串的0和1。而晶体管恰恰就是一台制造0和1的机器：开关关闭就是0，开关打开则是1。当然，要达到现在电脑的功能，需要聚集很多个能够相互交流的晶体管，这就组成了容纳数亿晶体管的芯片……

　　玩跳山羊的电子

　　但在缩小晶体管的过程中，工程师却发现了一些奇怪现象。我们知道，当栅极上的电压太低的话，源极和漏极之间不会产生电流。因为晶体管的沟道对电子来说是一道难以逾越的鸿沟。可是后来，即使开关闭合，栅极不带任何电压，电子也能穿过沟道了，而且越来越频繁。这是因为沟道变得越来越窄，最新的芯片沟道只有14到20纳米宽。但是即便是这14纳米，对小到无法测量的电子来说也是非常宽的！那么电子到底是怎样通过沟道的呢？要知道，在这个微观尺度上，量子物理相对于经典物理更具统治权，产生了令人惊愕的结果。在量子世界中，电子不再被仅仅视作粒子，它同时也是波，

　　反映“出现概率的波”。这么说可能很难懂，只要知道电子的全部活动轨迹就像一团云，作为粒子的电子可以在云中的任何一点上。对晶体管而言，如果沟道足够宽，那么位于源极一侧的电子“云”难以到达漏极。但如果沟道太窄，电子“云”的一部分就可能扩张到漏极，作为粒子的电子就可能出现在漏极这一端，形成我们所说的漏电，对晶体管的信号发射造成干扰：如果信号0（没有电流）不再是真正的0，那晶体管就变得不可靠了！

　　不合作的导线

　　这就是微型化的第一个阻碍。科学家认为很难把沟道的宽度降到7纳米以下，也就是现在标准的一半，否则，漏电现象会变得很严重。而且届时也很难制造足够细的“导线”保证供电。因为当我们减小晶体管体积时，其周围的所有东西也要跟着变小，自然不能再用以前的导线供电，否则就像把自来水管接到实验滴管上一样荒谬！但是，导线的微型化也遇到了瓶颈……你一定想到了，在一片集成了十几亿晶体管的芯片上，当然不会再用铜丝电线。事实上，芯片上刻着很细的条状金属电路。这改变了一切：在电线里，电子如同海上的一叶扁舟，穿行在近乎无尽的空间里；但是在金属条状电路里，电子身处于一条狭窄的河，会互相碰到或者撞到河沿……这导致电阻显著升高，电子难以流通，电流强度减弱。于是晶体管的供电成了问题。

　　最后一个阻碍，也同样重要，即资金问题。商人阿瑟·洛克（Arthur Rock）提出的“洛克定律”认为，电子芯片的制造费用每四年就翻一倍。要把如此之小的晶体管组成电路，需要几百个复杂的流程。简略地说，集成电路刻在硅晶或者合金的“基片”上。制造这一电路，用的并不是榔头和凿子，而是高能激光，它把基片中无用的部分烧去。每一部光源价值5000万到1亿欧元！照这样来算，建一个芯片厂需要几十亿欧元，而且成本很难收回。专家们估计今后十几年，最后一代晶体管会被研制出来，沟道的宽度将会缩减至7到10纳米。此后，微型化的进程将会停止。

　　接下来会怎样？我们的电脑就此止步不前？这就太遗憾了。当今的科学研究在很大程度上有赖于电子信息技术的发展：如果没有这些强大的巨型计算机，我们不可能发现希格斯玻色子，也不会预见到气候变暖对地球产生的长期影响。

　　比头发还要细的桥

　　所幸，工程师们想到了摆脱困境的良方——往高里想。的确，要在有限的面积上放入更多的晶体管，而又无法缩小每一个晶体管的面积，有一个办法，就是把它们叠起来。最新几代的电子芯片很像微缩的大楼，有好几层重重相叠的晶体管。这样的芯片真的能让我们的电脑运行更快吗？答案是肯定的。因为在这样的芯片里，一层可以放微处理器，另一层可以放内存（两者都是主要由晶体管组成）。以前，内存被安装在电脑主板的另外一个位置，现在则成了微处理器在芯片“大楼”里的邻居。这样一来，两者之间信息交换速度肯定大大增加！

　　困难在于，晶体管三明治可不像黄油火腿三明治那样好做。每个晶体管都需要有电流供电，并且互相连通。为了实现这样的设计，工程师发明了能将不同层面上的晶体管相互连通的电子接触器。在电子显微镜下观察这些错综复杂的“桥梁”，让人不禁联想到纵横交错的立交桥。区别在于，芯片中的“立交道路”有时只有十几微米宽，远比头发丝还细……

　　要建好这些精密的“建筑”，操作时就必须看得很清晰，研究人员为此研制出了一些令人惊讶的仪器，如原子探测器。这种仪器不仅能检查晶体管与接线间的接触器是否良好，还可以一个原子一个原子地分析金属或者合金材料！

　　如今，芯片产业巨头研究的晶体管堆叠技术已经十分成熟。在未来的十几年内，这种“3D”芯片应该就会取代我们电脑里的旧芯片，让电脑运行速度继续提升。

　　撰文/Fabrice Nicot 编译/胡怡纯