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挑戰摩爾定律

文 / 李彥甫    
2002-01-01
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挑戰摩爾定律
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二十一世紀的第一年,對於主導二十世紀半導體界的鐵律——摩爾定律而言,可說是多采多姿的一年,有緬懷、也有展望;有肯定、也有挑戰。

摩爾定律是由英特爾(Intel)創辦人之一的摩爾(Gordon E. Moore)於1965年提出。簡單地說,摩爾預測,單一矽晶片的電晶體數目,每隔十八到二十四個月將會增加一倍,但製造成本卻不變。電晶體愈多,代表晶片執行運算的速度也愈快。

摩爾定律代表二十世紀資訊科技的發展,係以「指數級數」的速度向前飛奔,過去三十五年來,摩爾定律屢試不爽。不過,質疑與挑戰的聲音也愈來愈多。

在愈來愈高的質疑聲中,摩爾去年年中宣布自英特爾名譽董事長職位上退休,他本人對於摩爾定律還能維持多久,雖然不置可否,英特爾現任執行長貝瑞特倒是堅稱,摩爾定律至少還有一、二十年的壽命。

摩爾當年並沒有想到此定律可以維持如此之久。但嚴格說來,真正讓摩爾定律撐下來的,其實是三十餘年來持續投入的可觀人力、物力及財力。

換句話說,英特爾、IBM、貝爾實驗室等單位多年來的「科學競賽」,才是摩爾定律得以驗證、並歷久不衰的主因。

1947年,貝爾實驗室兩位科學家發明了電晶體,厚度相當於手錶錶面,長度約為二‧五公分。現在的電晶體愈做愈小,貝爾實驗室去年又發表了最新一代的單一分子電晶體,體積卻小到可以在大頭針針頭上放進一千萬個,大小約只有一粒沙的百萬分之一。

這場半導體界的競賽,目標就是「更小、更快」,二十一世紀的第一年,競賽更是到達了顛峰。

延長摩爾定律壽命

電晶體愈做愈小,難度自然也就愈高。隨著晶片體積的縮小,電晶體的耗電量和產生的熱能也不斷增加,曾有科學家估計,如果依照摩爾定律繼續發展,十年之後,晶片產生的熱能,可能等同於核子反應爐或太陽表面的溫度,除非在材料技術上有所突破,否則根本不可能散熱。

英特爾去年除了推出P4微處理器,更宣布成功發展一種命名為「TeraHertz」的電晶體,每秒運算速度可超過一兆次,相當於飛機推進器每秒轉速的一百億倍。它使用了製造電晶體的新結構和材料,減少自然電阻,可以幫助降低熱度和能量的耗損,並且大幅加快晶片運作速度,同時可以不增加耗電。

IBM去年則是宣布成功研發「雙閘極」電晶體。電晶體是用來控製電流開關的矽元件,目前是單一閘極,當晶片體積愈來愈小,單閘極無法避免電子外洩,進而造成電晶體短路。如果可以成功發展雙閘極技術,確保電流不外洩,大幅降低電力損耗及溫度,電晶體也就能愈做愈小。

英特爾與IBM都宣稱,預計五至六年後可以量產上述製程,然後將摩爾定律的壽命再延長十年,也就是說,至少可以到2015年。

但是,之後呢?至少到現在,很多科學家是悲觀的,由於矽的結構使電晶體無法縮得更小,「更小、更快」的目標將達到物理極限,無論在技術上、在自然法則上,都指稱摩爾定律將有一定的極限。

也就是說,用矽或金屬做導線及元件的材料,只能停留在次微米階段,不可能再縮小十倍。

利用化學技術縮小積體電路

那麼,只好放棄矽晶體?在幾年前,這還是一種不可思議的想法,現在卻已有多種管道驗證可行,幾年前有人思考「量子電腦」或嘗試「DNA電腦」,而在去年大有斬獲的,則是「分子電腦」的概念。

分子是具有物質本性的最小單元,由原子經化學鍵組合而成,如果積體電路由分子組成,自然可以再縮小。科學家希望利用化學技術讓積體電路縮小到只有一個分子的大小,如此的分子電腦將大量節省空間與電力,並讓電腦的運算速度增加千萬倍。

其中,如何讓分子積體電路的元件可以順利溝通,曾是一大難題。台灣的科學家曾藉由合成可以吸附在金和銀表面的金屬鏈錯合物,在介面和薄膜之間傳送電子,形成長鍵而且可以導電的「分子導線」。分子導線的未來發展不會用來輸送大量電流,而是用於分子積體電路。

去年8月,IBM先發表了利用「碳奈米管」製成簡單的邏輯電路——僅有幾個分子寬的晶體組。奈米管是碳原子組成的結構,十年前被發現;「奈米」指十億分之一公尺(或稱為毫微米),也就是分子元次的長度單位。當今電晶體內的電線寬距約為五百奈米。

貝爾實驗室去年11月開發出一種以簡單有機分子(包括碳、氫、硫),製造出新型超小電晶體,他們稱其為「有機電晶體」,然後再成功地使用兩個有機電晶體,製出一種簡易的邏輯電路。

雖然距離商業化還有很長的路,真正的分子電腦估計最快要二十年後才會出現,但科學的進展有時總讓人意外。過去科學家曾預測在2005年才會出現的簡單分子邏輯電路,如今卻已提早問世,未來難保不會再有驚喜。

有的科學家甚至早早地預言,分子電腦有朝一日將取代現有的矽晶片電腦,效率將提高一百萬倍,而且最後可能小到可以織在衣物之中,這種體積小、速度快、價格低廉的電腦,將可以做到我們無法想像的事。

科學的進展真的很難令人想像,有時也不太容易讓人接受,當然,摩爾也是一樣。摩爾退休之前,曾接受《紐約時報》的專訪。記者問他,資訊科技如此迅速發展,什麼事會讓他擔心得晚上睡不著?

他的答案竟是「電子郵件」——現在連小學生都會使用的工具。

因為他總是記得以前,許多英特爾工程師坐在一起工作的場景,現在大家卻各自坐在電腦前,提高了效率,卻造成了疏離。不過,他又補充強調,別太擔心,造成人們行為大幅改變的事,多半會要求放棄以往的習慣,這就是科技。(本文作者為資深科學記者)(專欄言論不代表本刊立場)

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