鑒 于芯片產(chǎn)業(yè)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，業(yè)內(nèi)不時(shí)會(huì)出現(xiàn)悲觀情緒。網(wǎng)絡(luò)雜志Slate 2005年刊發(fā)了一篇標(biāo)題為《摩爾定律終結(jié)》(The End of Moore's Law)的文章;紐約時(shí)報(bào)1997年刊文稱，“令人難以置信的不斷縮小的晶體管接近極限：物理規(guī)律”，在另外一篇文章中引用SanDisk首席技術(shù)官的話 預(yù)測(cè)稱摩爾定律將于2014年遭遇“墻壁”;即使英特爾也表示在開發(fā)16納米工藝時(shí)會(huì)遇到麻煩。過去數(shù)十年，摩爾本人也曾擔(dān)憂如何利用1微米、0.25微 米工藝生產(chǎn)芯片。

　　芯片生產(chǎn)確實(shí)存在著基本限制。例如，量子力學(xué)描述的被稱作隧道效應(yīng)的現(xiàn)象。從芯片設(shè)計(jì)角度看，這意味著電子能夠從源極跳躍到漏極，芯片將因泄露電流而不能正常工作。

　　那么摩爾定律會(huì)失效嗎?摩爾在2007年接受采訪時(shí)作出了肯定回答，“任何高速增長(zhǎng)的物理量都會(huì)有上限，過去，芯片產(chǎn)業(yè)已經(jīng)克服了許多困難，但我認(rèn)為，在未來10年或15年，芯片開發(fā)將遭遇上限。”

　　摩 爾接受采訪是在5年前，幾乎沒有人會(huì)冒險(xiǎn)預(yù)測(cè)摩爾本人所預(yù)測(cè)的時(shí)間之后的情況。市場(chǎng)研究公司Moor Insights & Strategy分析師帕特里克·摩爾希德(Patrick Moorhead)說，“我認(rèn)為至少10年后我們才會(huì)遇到問題。”芯片技術(shù)公司Mears Technologies創(chuàng)始人、總裁羅伯特·米爾斯(Robert Mears)說，“我認(rèn)為摩爾定律還將在未來10年起作用。”

　　盡管如果晶體管不能繼續(xù)“瘦身”，摩爾定律就會(huì)失效，芯片產(chǎn)業(yè)的后硅元素時(shí)代不應(yīng)當(dāng)被忽視。當(dāng)傳統(tǒng)硅晶體管最終不能繼續(xù)發(fā)展后，芯片還可以采用其他多種元素。

　　英偉達(dá)首席科學(xué)家比爾·達(dá)利(Bill Dally)表示，“最可能的結(jié)果是，硅晶體管能繼續(xù)‘瘦身’，某些技術(shù)能繼續(xù)帶來更高的價(jià)值。”

　　目 前，晶體管的源極、漏極和通道是用硅元素制成的，它們也可以由砷化銦、砷化鎵、氮化鎵和化學(xué)元素周期表上第三和第五族的其他元素制成。來自化學(xué)元素周期表 中不同的族，意味著晶體管材料有不同的屬性，它們的一大特性是有更高的電子遷移率，這意味著電子遷移速度更快，晶體管速度也可以因此更高。

　　但福勒指出，這可能僅僅是一個(gè)權(quán)宜之計(jì)，“使用其他材料有一定的潛力，但很快會(huì)遭遇硅晶體管遇到的問題。采用新材料可能會(huì)使芯片性能提高2、4倍，甚至8倍”。

　　改進(jìn)芯片的另一個(gè)途徑是利用“納米線”取代硅材料制成的晶體管通道。更大的挑戰(zhàn)是使用碳納米管的可能性，但采用碳納米管存在許多困難：連接碳納米管與晶體管其他部分，改進(jìn)它們的半導(dǎo)體屬性，確保碳納米管的尺寸和構(gòu)成方式恰當(dāng)。

　　后 硅時(shí)代最有希望的一種晶體管材料是石墨烯。石墨烯可以卷成一個(gè)納米管，平面的石墨烯也能用作半導(dǎo)體材料。石墨烯與碳納米管相比的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，它的制造可以 集成在晶圓制造工藝中，無需此后專門組裝。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是石墨烯極高的電子遷移率，如果用石墨烯連接晶體管中的源極和漏極，晶體管的開關(guān)速度可以非常高。福 勒說，“我認(rèn)為石墨烯前景非常好。”

　　但使用石墨烯存在大量挑戰(zhàn)。首先是它缺乏足夠的帶 隙(band gap)。石墨烯本身帶隙為0，意味著它只能導(dǎo)電，不能用作半導(dǎo)體。Mears Technologies總裁羅伯特·米爾斯(Robert Mears)表示，“石墨烯有部分非常優(yōu)秀的屬性，但目前沒有合適的帶隙。石墨烯目前還不能取代硅或其他半導(dǎo)體材料，它是一種優(yōu)良的連接介質(zhì)、導(dǎo)體，但不 能做成很好的開關(guān)。”

　　福勒這樣描述理想的晶體管：“處于閉合狀態(tài)時(shí)，電流通過能力強(qiáng);處于斷開狀態(tài)時(shí)，幾乎不消耗任何電能。目前的問題是，石墨烯晶體管很難斷開。”

　　使 一種材料具有合適“帶隙”有多種途徑，其中包括將兩塊分離的石墨烯組裝成“納米絲帶”(nanoribbons)，采用不同的晶體管柵極。如果科研人員能 解決這些問題，石墨烯制成的晶體管可能尺寸不會(huì)更小，但速度會(huì)更快。福勒說，“我們還處于探索利用石墨烯的早期階段，就像是1950年代探索利用硅元素那 樣。”

　　另外一種更激進(jìn)的技術(shù)被稱作自旋電子學(xué)，信息利用電子一種被稱作自旋的屬性在芯片內(nèi)傳輸信息。福勒說，“如果可以利用電子自旋屬性，而非電荷存儲(chǔ)‘1’和‘0’，就不會(huì)存在移動(dòng)電荷存在的熱力學(xué)極限問題。未來的芯片不會(huì)遇到與目前芯片相同的能耗限制。”

　　依靠光而非電子攜帶信息的硅光子學(xué)技術(shù)也可以用于未來的芯片。福勒說，“這可能是芯片間通信，甚至芯片上信息傳輸?shù)囊环N優(yōu)秀技術(shù)。目前，芯片能耗中相當(dāng)大一部分都用于芯片間同步，但一些有前景的研究項(xiàng)目在利用硅光子學(xué)技術(shù)解決芯片同步問題。”

　　米 爾斯說，硅光子學(xué)技術(shù)的傳輸距離存在限制。問題是：光的波長(zhǎng)大于芯片中連線的寬度，“盡管這曾經(jīng)是我的主要研究項(xiàng)目之一，我并不看好采用硅光子學(xué)技術(shù)的芯 片。硅光子學(xué)技術(shù)適合遠(yuǎn)距離通信，但不適合制造邏輯門。如果要制造或非門或與非門，需要采用電子學(xué)技術(shù)，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)需要將電子信息再轉(zhuǎn)換為光子信息”。

　　此外，研究人員還在研究其他計(jì)算技術(shù)，例如量子計(jì)算、DNA計(jì)算、自旋波設(shè)備等，但哪種技術(shù)能笑到最后尚不得而知。