就像所有以設計計算機芯片為生的人一樣，詹姆斯·邁爾斯(James Myers)也是芯片設計師?！肮枋墙艹龅?，”他說(shuō)。這是因為它是一種天然的半導體——根據不同的條件，它既能導電又能充當絕緣體——還因為它可以在小范圍內進(jìn)行設計。這是因為它是地球上第二常見(jiàn)的元素，可能現在就附著(zhù)在你的腳底上，而且很容易通過(guò)加熱沙子產(chǎn)生。這些特性使它成為我們今天使用的幾乎所有技術(shù)的基礎。像英國半導體公司Arm的工程師邁爾斯這樣的人，大部分時(shí)間都在思考如何在更小的空間里封裝更多的硅——從20世紀70年代的每片芯片擁有數千個(gè)晶體管到今天的數十億個(gè)。有了摩爾定律，我們就像邁爾斯說(shuō)的，“在硅里游泳”。
然而，在過(guò)去的幾年里，邁爾斯一直在把目光投向硅以外的其他材料，比如塑料。這意味著(zhù)要從頭再來(lái)。幾年前，他的團隊開(kāi)始設計包含數十個(gè)晶體管的塑料芯片，然后是數百個(gè)，現在，正如《自然》雜志周三報道的那樣，已經(jīng)有數萬(wàn)個(gè)了。32位微處理器包含18000個(gè)邏輯門(mén)(你從晶體管中得到的電子開(kāi)關(guān))和計算機大腦的基本葉:處理器、內存、控制器、輸入和輸出等。至于它能做什么?想想上世紀80年代早期的桌面電腦。
為什么要把科技時(shí)光倒流呢?因為現代硅芯片是易碎的，不靈活的電子晶圓。在壓力下，他們會(huì )嘎吱作響。雖然硅很便宜，而且越來(lái)越便宜，但在某些情況下，它可能永遠都不夠便宜。假設把一個(gè)電腦芯片放在牛奶盒里，用一個(gè)檢測化學(xué)變質(zhì)跡象的傳感器代替打印的過(guò)期日期。有用嗎?有幾分!但只有在成本極低的情況下，才值得增加數十億盒牛奶。Arm正在測試的一種應用是一種安裝在胸部的芯片，它可以監測病人的心律失常(一種不穩定的、輕快的心跳)，但幾個(gè)小時(shí)后就會(huì )被丟棄。因此，你想要一臺便宜的電腦，但更重要的是，一臺能彎曲的電腦。邁爾斯說(shuō):“它需要與你一起移動(dòng)，而不是突然消失?！?/span>
一些材料理論上可以滿(mǎn)足這些需要。研究人員已經(jīng)用有機材料和設計好的襯底制造了晶體管，襯底是晶體管的晶片，襯底是金屬箔甚至是紙張。周三，Myers的團隊描述的芯片是由金屬氧化物制成的“薄膜晶體管”組成，金屬氧化物是銦、鎵和鋅的混合物，可以比硅更薄。襯底是聚酰亞胺，一種塑料，而不是硅片。它便宜、薄、靈活，但在設計上有點(diǎn)麻煩。塑料的熔化溫度低于硅，這意味著(zhù)一些涉及加熱的生產(chǎn)技術(shù)不再適用。而且這種薄晶體管可能存在缺陷，這意味著(zhù)能量不能像芯片制造商所期望的那樣在電路中移動(dòng)。與現代芯片相比，這種設計也消耗了更多的能量。邁爾斯指出，上世紀七八十年代，同樣的問(wèn)題困擾著(zhù)芯片制造商。他現在能同情他的老同事了。
與現代64位硅處理器中的數十億個(gè)門(mén)相比，18,000個(gè)門(mén)聽(tīng)起來(lái)并不多，但邁爾斯自豪地談到它們。當然，微處理器并沒(méi)有做太多事情。它只是運行他五年前編寫(xiě)的一些測試代碼，以確保所有組件都正常工作。該芯片可以運行與Arm常見(jiàn)的基于硅的處理器之一相同類(lèi)型的代碼。
該研究的合著(zhù)者兼PragmatIC技術(shù)高級副總裁Catherine Ramsdale解釋說(shuō)，與硅器件的一致性是關(guān)鍵，該公司與Arm一起設計和生產(chǎn)柔性芯片。雖然材料是新的，但其想法是盡可能多地借鑒硅芯片的生產(chǎn)過(guò)程。這樣，更容易批量生產(chǎn)芯片并降低成本。Ramsdale表示，這些芯片的成本可能是同類(lèi)硅芯片的十分之一，因為塑料便宜且設備需求減少。她說(shuō)，是的，這是一種“務(wù)實(shí)”的處事方式。
斯坦福大學(xué)(Stanford University)的電氣工程師埃里克·波普(Eric Pop)沒(méi)有參與這項研究，他說(shuō)，這種芯片的復雜性及其包含的晶體管數量給他留下了深刻印象?！斑@推動(dòng)了技術(shù)的進(jìn)步，”他說(shuō)。但實(shí)用主義也有局限性。最清楚的是這個(gè)設備消耗了多少能量。該芯片消耗21毫瓦的能量，但其中只有1%用于執行計算;其余的都被浪費了，因為芯片處于閑置狀態(tài)。他解釋說(shuō)，在戶(hù)外，用一個(gè)比郵票還小的太陽(yáng)能電池就可以生產(chǎn)這種芯片——換句話(huà)說(shuō)，不是很多——但隨著(zhù)柔性芯片變得越來(lái)越復雜，這并不是提高效率的好起點(diǎn)?！澳阋鍪裁?，把自己連到一個(gè)巨大的電池上嗎?”流行問(wèn)道。
邁爾斯說(shuō)，這些小型芯片的計劃是使用類(lèi)似于智能手機支付的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)。但他承認芯片需要更節能——他相信在一定程度上是可以做到的。他說(shuō)，目前的設計可以做得更小、更高效，也許足夠擴大到10萬(wàn)個(gè)閘門(mén)。但這可能是極限。原因是它的設計相當簡(jiǎn)單。晶體管有兩種形式，稱(chēng)為“N”和“P”。它們是互補的。有電壓時(shí)打開(kāi)，沒(méi)有電壓時(shí)關(guān)閉;另一種則相反?！澳阏娴南霌碛兴麄儍蓚€(gè)，”爸爸說(shuō)。Arm芯片泄漏這么多能量的一個(gè)原因是它只有N型。使用Arm和PragmatIC選擇的材料，P型晶體管的設計難度更大。
縮放的一個(gè)選擇是轉向其他柔性材料，如碳納米管，因為這兩種材料都更容易制造。波普實(shí)驗室正在研究的另一種選擇是，使用在剛性襯底上制造的二維材料，然后轉移到柔性材料上，以減少晶體管的尺寸和功率需求。在這兩種情況下，代價(jià)可能都是制造成本的增加。
Subhasish Mitra在斯坦福大學(xué)計算機科學(xué)家領(lǐng)導的第一個(gè)示范2013年碳納米管電腦,說(shuō),雖然手臂的設計似乎不展示任何理論上的突破,研究人員似乎產(chǎn)生了一種相對簡(jiǎn)單的設備制造和用于實(shí)際應用?！皶r(shí)間會(huì )告訴我們應用程序開(kāi)發(fā)者將如何利用這一點(diǎn)，”Mitra說(shuō)?！拔艺J為這是令人興奮的部分?！?/span>
哪種柔性材料最終有意義將取決于芯片需要如何使用，波普解釋說(shuō)。例如，硅并不總是注定要成為我們設備的核心。有一段時(shí)間，科學(xué)家們認為這可能是鍺——一種比硅更優(yōu)越的半導體元素。但它并不叫“鍺谷”。硅更容易獲得，在某些方面也更容易設計。廉價(jià)的柔性芯片還處于早期階段。我們需要紙質(zhì)電子產(chǎn)品的可回收性嗎?碳納米管的潛在功率和規模?或許我們只是需要塑料的實(shí)用性。
也許摩爾定律不太可能適用于塑料芯片。拉姆斯代爾說(shuō):“我們并不是在尋找硅能出色發(fā)揮作用的市場(chǎng)?！痹摴局饕?zhù)眼于“硅被有效地過(guò)度設計”的用途。在硅領(lǐng)域，對更強大設備的需求推動(dòng)了規模和功率的指數級增長(cháng)。裝在牛奶盒里的電腦芯片也是這樣嗎?也許回到上世紀80年代就足夠了。