當矽芯片遭遇（yù）物理極（jí）限（xiàn）時，科學家將目光轉向了碳納米管（guǎn）。 　　在位於紐約Yorktown Heights的一間燈光昏暗的實驗室中，工作台上到處都是（shì）隧道掃（sǎo）描顯微鏡、原子力探測器、其它用於顯示分子世界奧妙的設備，這就是IBM公（gōng）司（sī）的（de）托馬斯-沃森研（yán）究院。在這裏，菲登（dēng）和他的（de）同事正在利用（yòng）這（zhè）些工具（jù）征服納米技術世界的“珠穆（mù）朗瑪峰”：他們正在研究（jiū）如何（hé）將（jiāng）碳原子“編織”為（wéi）一個晶體管。 　　菲登的目標是提高芯片的時鍾頻（pín）率。自半導體產業在半個世（shì）紀前誕生以來，計算機廠商一直依賴（lài）芯片廠（chǎng）商在踏著（zhe）摩爾定律的腳步前進：即每18個月將係統的速度翻一番。通過將更多的晶體管集（jí）成在日益減小的芯片（piàn）上，芯片廠商做到了這一點兒。晶體管越小，它的速度也就越快（kuài），但芯片的（de）發熱量也就越大，芯片的製造也越複（fù）雜。隨著（zhe）未來10年內芯片的（de）製造工藝由0.09微米發（fā）展到0.02微米或（huò）0.01微米（mǐ），熱（rè）量、成本、不可逾越的物理極限可能使得矽在芯片（piàn）製造（zào）中（zhōng）沒有立錐之地。如果（guǒ）芯片產業不能找到替（tì）代型（xíng）材料，摩爾定律將停滯不前。　　有（yǒu）效的替代方案 　　這一問題已經在給我們敲響警鍾。目前，速度最快的PC芯片足以煮熟雞蛋。如果不采取措施，到2010年芯片（piàn）的發熱（rè）量將能夠使金屬熔化。這不（bú）僅（jǐn）僅是能源的浪費━━目前速度最（zuì）快的PC芯片一半兒的能耗都被轉化為熱量浪費了，還可能（néng）降低芯片（piàn）的速度（dù），甚至損壞芯片。由於生產過程日益複雜，建造芯片工廠的成本將由目前的（de）20億美元提高到2010年的100億美元。 　　在IBM、英飛淩、NEC，以及許多新創辦芯片（piàn）廠商的實驗室中，最可能取代矽的是碳納米管。這種微小的結構━━10萬個碳納米管疊在一起的厚度也隻（zhī）跟一根頭發的厚度相當，它能夠使芯片的運行速度更快，能耗更低，集成度更高，而且能夠大幅度簡化芯片生產過程（chéng）。 　　菲登表示，這樣的晶體管也隻是在它（tā）的初級發展階段。他（tā）說，碳納米管能夠解決目前矽芯片遇到的大多（duō）數問題。他在實驗室中已經取得了一定的成（chéng）功，他用了4年的時（shí）間完成了第三代碳納米晶體管原（yuán）型產品（pǐn）的（de）生產。最終，它通過的電（diàn）流量將達到當前矽芯片的1000倍，極大地提高芯片的運行效率。 　　碳納米管本（běn）身並不簡單。通過改變（biàn）碳原子（zǐ）團的幾何形狀，研究人（rén）員能夠使它們導電或不導電，這也是它能夠通過很高的（de）電流而發熱量很小的一個原因（yīn）。英特爾（ěr）公司負（fù）責科技（jì）戰略的主管加吉尼說，混合具（jù）有不同導電特（tè）性的碳納米管，能（néng）夠簡單未來芯片的設（shè）計。目前，製造芯片所需要的許多化學材料和生產過程將不再需要。 　　碳納米管（guǎn）的優點還不止在電方麵。除了是（shì）極好的導熱材（cái）料外，碳納米管的強度是鋼鐵的10倍，還不怕輻射。這一點非常重要，因為隨著芯片越來越小，它就越來越（yuè）可能因受到（dào）太陽（yáng）光中高（gāo）能粒子流的照射而損壞。AMD公司負責技術發展（zhǎn）的副總裁克萊格說，在取代矽晶體管成為芯片（piàn）的核心前，矽納米管將首先被應用為芯片的（de）結構層。　　物理學極（jí）限 　　從（cóng）實驗（yàn）室走向生產工廠，碳納米管還麵臨著巨大的挑戰。杜邦（bāng）公司的納米技術研究員提姆表示，現在的生產技（jì）術能生產出30多種碳納米（mǐ）管。碳納米技術公司（sī）正在努力改進生產技術（shù），生產更多的最為（wéi）需要的碳納米管。杜邦公（gōng）司正在開發能夠根據大小和導電性篩選碳納（nà）米管的工具。 　　即使能夠可靠地生產出所需要的（de）碳納米管，擴（kuò）大生產規模，滿足市（shì）場需求也需要（yào）數年的時間。IBM、英飛淩的研究人員已經製（zhì）造出導電性遠遠超過矽的碳納米管晶體管（guǎn）。但上前功能最強大的（de）處理器（qì）集成有10億個晶體管。加吉尼表示，科學家還沒有找到能夠與（yǔ）目前的製造工藝的效率相當的碳納米管製造工藝。 　　沒有爭議的是，現有的矽芯片製造工藝已經遇（yù）到了麻煩。芯片的工作原理與橡膠水管非常相似（sì）：當水（shuǐ）管變細時，就必須增加水的壓力，以便能夠通過相同的（de）水量。同樣，芯（xīn）片廠商必須提高電（diàn）壓（yā），使更細（xì）的電路能夠通過更多的電流。同時，芯片（piàn）也越來越“漏”了，就象是帶有（yǒu）小孔（kǒng）的橡膠水（shuǐ）管。芯片的（de）絕緣層隻有很少的原子來防止電流泄露。 　　其它問題也浮出了水平。隨著芯片（piàn）製造工藝的發展，芯片中個（gè）別晶體管的缺陷也越（yuè）來越明顯了。2003年生產的Pentium 3芯片采用了0.18微米工藝，20納米的缺陷不會引起什麽問題。但在當今的（de）0.09微（wēi）米工藝中，這樣的（de）缺陷會使芯片報廢。 　　另外，物理極限也抬高了新一（yī）代（dài）芯片製造工廠的成本。英（yīng）飛（fēi）淩在裏士滿的內存芯片（piàn）工廠顯示（shì）出了令人驚愕的複雜性和高成本，相當於4個足球場大小的這座工廠耗資20億美元。在這座工廠內（nèi），基本上全部實現了自動化，數周都不需要人工幹預。芯片（piàn）的生產需（xū）要數百個過程，通過自動（dòng）生（shēng）產線經過數十台價值數百（bǎi）萬美（měi）元計的（de）設備（bèi）的處理。在下線（xiàn）前，芯片要在生產（chǎn）線上“旅遊”數英（yīng）裏，耗時2、3個月。 　　要取代如此複雜的生產線是很（hěn）困難的。目前，芯片的質量很（hěn）高，廠商設計了許多方法來解決發熱等（děng）問題（tí），例如設計更好的架構。AMD、IBM、英特爾和其它（tā）廠商都在生產多內核芯片。 　　無論基於碳納米管的芯片還需要10年或者20年才能夠問世，專家們一致同意，過渡將是漸進性的。他們（men）預計首先會出現矽-碳（tàn）納米（mǐ）管混合設計。由於在矽（guī）芯片的設計、生產（chǎn）上已經有了50年的經驗、在研發上投入了數千億美元，芯片廠商希望能夠增強現有的生產技術，而不是立刻（kè）采用顛覆性的技術。半導（dǎo）體產業聯（lián）盟的總裁（cái）喬治（zhì）表示，過渡必將是漸進性的。 　　矽（guī）-碳混合（hé）材料將是這一趨勢的一（yī）部（bù）分。Nantero正在與LSI邏輯（jí）公司聯合攻關，利用現有的矽生產工（gōng）藝生產碳（tàn）納（nà）米管RAM芯片。在速度和存儲密度方麵（miàn），矽-碳RAM芯片與當前計（jì）算機中使用的（de）RAM內存芯片相當，但能夠在沒有電源的情況下保存數據。使（shǐ）用這類RAM芯片，計算機能夠在瞬間啟動起來。 　　Nantero期望這類RAM芯片的性能會有大幅度提高（gāo），但其它廠商則持懷疑態度，並指出，即使要再取得很小的進步，也許還需（xū）要10年的時間。目前最大的進展是（shì），芯片產業已經開始探索新的生產工藝了。