碳纳米管的研究取得了重大的突破，这是第一次碳纳米管晶体管性能上超越了硅晶体管。50年前，戈登·摩尔对芯片行业的发展发出预言：当价格不变时，硅芯片的性能每隔18-24个月便会提升一倍。然而就在今年早些时候，全球最知名的学术刊物《自然》杂志上一篇文章写道，次月即将出版的国际半导体技术路线图，不再以摩尔定律为目标了。芯片行业50年的神话终于被打破了。当摩尔定律不再适用之后，芯片制造厂商不得不越来越担心他们的处境，它们要用更小的制程制造更快的CPU，正因如此，芯片企业已经开始寻找“硅”的替代品，比如碳纳米管。 而最近，碳纳米管的研究取得了重大的突破，这是第一次碳纳米管晶体管性能上超越了硅晶体管。碳纳米管的突破美国威斯康星大学（University of Wisconsin-Madison）的科学家最近宣布，他们成功开发出碳纳米晶体管，其性能大大超越现有的硅晶体管，它所通过的电量比晶体管高了1.9倍。科学家表示，碳纳米管晶体管超越硅晶体管，这还是第一次。 最近，碳纳米管内存已经走出实验室，开始投入生产，这是一个振奋人心的消息，如果美国威斯康星大学的研究能够推广，NRAM内存就可以与碳纳米管CPU搭配使用。要校准纳米管在圆晶上的位置、保证其纯度是一大挑战，威斯康星大学在这方面取得了重大进展。研究人员称，消除金属杂质是一大关键，因为它会破坏碳纳米管的半导体性能。项目主管迈克尔·阿诺德（Michael Arnold）指出：“我们发现在某些特定条件下几乎不会形成金属纳米管，金属纳米管出现的机率只有0.01%。”从理论上讲，未来碳纳米晶体管的性能可以比硅高5倍，换言之，如果用在设备中，它的能耗比硅晶体管低5倍。一旦技术真正投入使用，就可以开发出更强大的处理器、让无线通信速度更快、提高便携设备的续航能力。阿诺德评价称：“制造碳纳米晶体管，让它的性能超越硅晶体管，这是一个重大的里程碑。将碳纳米管用于逻辑、高速通信及其它半导体电子技术是长远目标，碳纳米晶体管的性能取得突破，这是通往目标的关键一步。”当然，科学家的工作并没有结束，他们需要改进技术，使之可以用于商业生产。IBM曾经表示，在2020年左右我们可能就会看到碳纳米管CPU。由于碳纳米管更具弹性，它可以用在各种柔性、可伸缩电子产品中。在内存方面，富士通最近宣布，如果进展顺利将于2018年推出碳纳米管NRAM。 摩尔定律快要失效，为了增加晶体管密度，半导体企业面临无数的挑战。硅晶体管开始向极限接近，材料科学变得越来越重要。半导体产业一致认为，硅晶体管的制程最低可以达到5纳米左右，研究人员必须向新材料投资，用来替代硅。碳纳米管很有希望，但是它已经在实验室沉寂了几十年，因为碳纳米管的应用面临着技术和经济上的挑战。尽管如此，碳纳米管的研究仍然在继续。到底什么是碳纳米管？简单来说，碳纳米管是由碳层（一层只有一个原子厚）组成的，它们卷成管子，直径介于1纳米至2纳米之间。在人类的认识范围内，碳纳米管是导电性能最强的材料之一，研究人员认为单根碳纳米管的性能比常规硅晶体管高5倍。虽然碳纳米管的性能强大，但是要在如此小的尺寸内清除杂质是一大挑战，即使只有一个金属杂质体，碳纳米管的性能也会大受影响，比如它可能会导致短路。为了解决此问题，研究人员发明了一种新技术，他们用高分子聚合物清除杂质。接下来研究人员需要将细小的碳纳米管统一排列，紧密结合，他们开发了一种名为“流动蒸发自组装（floating evaporative self-assembly）”的技术，可以在1X1英寸的圆晶上排列碳纳米管。现有制造厂需要进一步研发，让该技术用在更大的圆晶上。摩尔定律（http://tech2ipo.com/10027599）1965年，Intel联合创始人戈登·摩尔提出了他著名的理论：半导体芯片上可集成的元器件的数目每12个月便会增加一倍。也就是说，同样规格的芯片的成本，每12个月便会降低一半。1965年每个芯片可以容纳50个晶体管，摩尔预测到了1970年，每个芯片将能够容纳1000个元器件，每个晶体管的价格会降低90%。经过简化，这个发现被归纳成了“摩尔定律”：每个芯片上晶体管的数目每12个月将会增加一倍。 戈登·摩尔的发现不基于任何特定的科学或工程理论，只是真实情况的影射总结。硅芯片行业注意到了这个定律，没有简单把它当作一个描述的、预言性质的观察，而是作为一个说明性的，重要的规则，整个行业努力的目标。实现这个目标并非只靠运气。硅芯片的制造是一个复杂的过程，用到了来自许多不同公司的机械、软件以及原材料。为了保证所有的下游公司都能保持一致，并维持与摩尔定律兼容的时间表，半导体行业发布了满足摩尔定律的预期技术及转型路线图。半导体行业协会（SIA）是一个位于北美的组织，成员包括Intel、AMD、台积电、GlobalFoundries、IBM等公司，他们从1992年就开始制定路线图，1998年SIA与全球其他类似的组织都联合了起来，一起制作国际半导体技术路线图（ITRS）。关于摩尔定律最初计算存在的问题早在1975年就出现过。根据可获取的经验数据，戈登·摩尔将定律中的翻倍时间修改为24个月。就这样，在后来的30年时间里，简单的几何比例缩小（使芯片上所有元器件越来越小）就保证了稳速的收缩，验证了摩尔的预测。到了2000年，显然几何比例到头了，但是各种技术手段的发明使得该行业的发展跟上了摩尔定律的步伐。在90纳米时，应变硅发明了；45纳米时，增加每个晶体管电容的分层堆积在硅上的新材料发明了；22纳米时，三栅极晶体管的出现保证了缩小的步伐。虽然有了这些新技术，行业依然触到了天花板。将光刻过程用于芯片，把芯片形式转换成硅片一直受到相当大的压力：目前，波长193纳米的光波被用来制造14纳米的芯片。其他波长的光波不是不可实现，只是徒增了制造过程的复杂性和成本。期待了很久的极短紫外线（extremeUV），波长13.5纳米，可以解决这个约束，但技术工程师已经证明EUV的批量生产尚有困难。即使有了EUV，也很难确定又能改变多少：在2纳米下，晶体管只有10个原子宽，在这么小的范围不可能正常操作。即使这些问题都解决了，能源的使用和散热问题又凸显出来了：由于晶体管更轻薄了，散热变得更加困难。像应变硅和三栅极晶体管等新技术，从研发到投入生产花了十多年，而EUV经历了这么长时间还是纸上谈兵。除此之外还有一个与摩尔定律相对的洛克定律（Rock's law），强调了生产中的成本因素。通过观察可知，芯片制造厂商的成本每4年便会增加一倍。技术的进步以不断为片上晶体管数量的增加铺平道路，但是芯片生产设施的建造会十分昂贵，而更小、更便宜的处理器的使用还在不断增加。目前的问题是晶体管的数量边际效用开始递减：多出来的晶体管利用率变低了。在20世纪80、90年代，晶体管增多产生的价值是显而易见的：奔腾系列的速度远远超过了486，奔腾II又比奔腾更快，等等。处理器的升级使当前工作负载获得实质性的加速，包括处理器组合方式的进步（从简单顺序处理变为复杂超标量体系结构无序处理）和响应速度的提升。从2000年开始这些简单的改善就停滞不前了。受热量、响应速度的限制，每个处理器内核的性能只有微少增加。我们所看到的都是一个芯片内具有多个处理器内核。这增加了处理器整体的理论性能，但实际上很难应用于软件的改善。智能手机和物联网的发展意味着不同的传感器和低功耗处理器对芯片公司来说更加重要。这些设备使用的高度集成芯片意味着它需要的处理器不仅是逻辑和缓存，也包括内存、功率调节、GPS模拟组件、电池以及Wi-Fi无线通信，甚至还有陀螺仪和加速表等微机电组件。这些不同种类的组件通常采用不同的制造工艺来处理不同的需求，而新的路线图将规划出如何将这些都综合起来。集成不同的生产流程，处理不同的材料，都需要新的流程和支撑技术。对于芯片制造商来说，为这些新市场生产芯片、解决相关问题，显然比盲目地忙于增加晶体管数量强多了。碳纳米管（http://blog.sciencenet.cn/blog-42069-21441.html）碳纳米管(Carbon nanotube)是1991年才被发现的一种碳结构。理想纳米碳管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层，含有一层石墨烯片层的称为单壁碳纳米管(Single walled carbon nanotube， SWNT)，多于一层的则称为多壁碳纳米管( Multi-walled carbon nanotube， MWNT)。SWNT的直径一般为1－6 nm，最小直径大约为0.5 nm，与C36分子的直径相当， 但SWNT的直径大于6nm以后特别不稳定，会发生SWNT管的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米。因为SWNT的最小直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。MWNT的层间距约为0.34纳米，直径在几个纳米到几十纳米，长度一般在微米量级，最长者可达数毫米。由于碳纳米管具有较大的长径比，所以可以把其看成为准一维纳米材料。碳纳米管中的碳原子以sp2杂化，但是由于存在一定曲率所以其中也有一小部分碳属sp3杂化。在不考虑手性的情况下，SWNT可以由两个参量完全确定（直径和螺旋角或两个表示石墨烯的指数（n，m）或者螺旋向量Cn和垂直向量T〕，MWNT则需要三个以上的参数表示。 来源/微信公众号Science