從光子電腦到奈米碳管,為什麼跳躍式的科技創新這麼難?

作者 | 發布日期 2015 年 10 月 16 日 9:12 | 分類 晶片 , 零組件 , 電腦 follow us in feedly
FLICKR Ariel Leuenberger

以矽為主體的半導體工業,已主導整個產業發展達半世紀之久,但因矽的材料特性有許多缺點與限制,科學家一直想要找到更新的材料或技術取代它,因此陸續出現了光子電腦(Photonic computer)、量子電腦(Quantum computer)、奈米碳管(Carbon Nano Tube,CNT)、石墨烯(Graphene)等全新的技術與材料,希望能夠一次徹底翻轉半導體工業,但是這些新材料或技術常常被媒體報導炒熱之後,卻又默默無寂而終,到底這些新科技的發展瓶頸在那裡?為什麼這種跳躍式的科技創新這麼難呢?



積體電路的基本元件:MOS

MOS 是目前半導體產業最常使用的一種電晶體,科學家將它製作在矽晶圓上,是數位訊號的最小單位,我們可以想像一個 MOS 代表一個 0 或一個 1,就是電腦裡的一個「位元(bit)」, 當 MOS 不導通代表這個元件處於「關(OFF)」的狀態,我們可以想像成這個位元是 0;當導通代表這個元件處於「開(ON)」的狀態,我們可以想像成這個位元是 1。電腦是以 0 與 1 兩種數位訊號來運算;我們可以想像在矽晶片上有數十億個 MOS,就代表數十億個 0 與 1,再用金屬導線將這數十億個 MOS連結起來,電子訊號在這數十億個 0 與 1 之間流通就可以交互運算,最後得到我們所需要的加、減、乘、除運算結果,這就是電腦的基本工作原理,對 MOS 的工作原理有興趣可以參考這裡

MOS 是控制電子來進行開關,關(OFF)代表 0,開(ON)代表 1,但是卻有許多限制,由於電子在金屬導線裡前進會有電阻因此速度仍然不夠快,而且電阻會產生熱造成元件溫度上升,還有其他許多材料特性的限制,讓科學家一直想要找到新的材料或技術來取代它。

 

光子電腦

目前被提到的取代方法之一,是以光子(Photon)來取代電子(Electron),則暗(OFF)代表 0,亮(ON)代表 1,稱為「光子電腦(Photonic computer)」。這個原理一點也不困難,因此早在 30 年前就有科學家提出「光腦(Optical computer)」的概念,為什麼這麼多年過去了,要使用光腦來取代電腦卻如此困難呢?

註:光子(Photon)其實就是光(Light),愛因斯坦研究光電效應發現光其實應該和電子一樣是一顆顆的稱為「光子(Photon)」,他也因此項發現獲得了 1921 年的諾貝爾物理獎。光就是光,科學家說它是光子,聽起來是不是立刻就「高檔」了起來?甚至有人可能還在想這是什麼創新的技術,其實我們每天眼睛一張開就有一堆「光子」射進你的眼睛啦!

 

光子不易控制

將電子元件縮小堆積起來稱為「積體電路(Integrated Circuit,IC)」,而將光學元件縮小堆積起來稱為「積體光學(Optic Electric Integrated Circuit,OEIC)」,在積體光學元件上可以導光的通道稱為「光波導(Optical waveguide)」。要發現一個材料或技術能夠表現出開(ON)與關(OFF)兩種狀態並不困難,但是積體電路最麻煩的並不只是如何製作 MOS,而是如何將製作好的 MOS 用金屬導線連接起來形成數位邏輯電路,這是積體電路設計主要的工作,我們稱為「邏輯設計(Logical design)」與「實體設計(Physical design) )」,包括積體電路「布局(Place)」與「繞線(Routing)」。

光的速度比電快很多,但是要控制光卻也比控制電困難許多,在積體電路(IC)內或印刷電路板(PCB)上的金屬導線,不論線路如何複雜,電子都會乖乖的沿著金屬導線前進,簡單的說,電子可以 90 度直角轉彎,如圖一(a)所示,因此電子元件可以縮小;但是光的特性是沿著直線前進,如果我們在光學元件上製作一條 90 度的光波導(可以導光的通道),如圖一(b)所示,則光會直接衝出去而不會乖乖轉彎;一般而言,光轉彎的角度必須小於 5 度,如圖一(c)所示,因此光學元件不易縮小。

曲老師

▲ 圖一:電子在金屬導線與光子在光波導上前進的差別。

簡單的說,電子好像汽車,馬路就像金屬導線,汽車可以在馬路上90度轉彎;光子好像火車,光波導就像鐵軌一樣,而光子在光波導上前進就像火車在鐵軌上前進一樣,火車就是因為無法大角度轉彎,因此鐵軌會盡量設計成直線前進,如果要轉彎就必須拉長距離,大家有看過鐵軌做成 90 度轉彎的嗎?如果不能,那這樣的元件如何縮小呢?因此就算找到了可以取代 MOS 的光學元件,要靠小於 5 度的光波導來布局與繞線,又要能夠做出很小的晶片,基本上是非常困難的。為了讓光能夠大角度轉彎以縮小積體光學元件的尺寸,有科學家創造了「光子晶體(Photonic crystal)」,不幸的是,理論計算出來的光子晶體以目前的工程技術與光學原理來檢視,仍然遭遇許多困難而無法實現。

 

光子儲存問題

要製作處理器最重要的除了能夠進行開關的電晶體,另外一個就是記憶體,也就是大家耳熟能詳的 DDR 與 Flash 了,DDR 是使用電容來儲存電子,Flash 是使用浮動閘極(基本上也是一種電容結構)來儲存電子,但是光子要如何儲存呢?答案是,目前科學家仍然沒有找到能夠儲存光的元件,大家千萬別想到 CD 和 DVD 唷!這種元件只是利用凸起和凹洞使光反射回來有多(代表 1)有少(代表 0)而已,並不是真的把光儲存起來,由於沒有能夠儲存光子的元件,因此要用光子來做運算仍然是非常遙遠的事。

十月初英國牛津大學(University of Oxford)等四所學校的研究人員成功研發光子為主的新式記憶體發表於學術期刊 Nature Photonics 中,它是利用相變化材料(Phase Change Material,PCM)鍺銻碲合金(GST)的結晶相(Crystalline)代表0、非晶相(Amorphous)代表1,主要是改變光波導的光學性質產生暗(OFF)代表0,亮(ON)代表1,概念上很接近光的記憶體,但是鍺銻碲合金其實是相變化光碟(CD-RW)所使用的材料,它的原理仍然不是真的把光儲存起來,而且相變化(結晶相變非晶相、非晶相變結晶相)的反應速度很慢,因此要達到光子電腦的速度基本上是非常困難的事。

科學家的迷思:有開(ON)與關(OFF)就有電腦

由於積體電路(IC)最基本的元件是控制電子來進行開(ON)與關(OFF)的 MOS,因此科學家只要發現任何材料或技術能夠顯示出這兩種狀態,就說未來可以取代矽改變半導體工業。因此物理學家發現某些物質具有向上自旋(代表 1)與向下自旋(代表 0)兩種量子狀態,就說可以取代矽成為「量子電腦(Quantum computer)」;化學家發現某些有機分子(環狀烴)的環狀結構具有失去電子而正轉(代表 1)與得到電子而反轉(代表 0)兩種轉動狀態,就說可以取代矽成為「分子電腦(Molecular computer)」。

我們只能說,成為一位科學家必須想像力豐富,才能創造出全新的科學世界;而成為一位工程師,除了要有想像力,更需要有耐心將科學原理放大到工廠裡大量生產成為產品,而這個過程才是科技創新最困難的地方。有了光子、量子、分子,不等同於有了電腦,因為利用光子、量子、分子製作出具有開與關兩種狀態的元件並不難,但是要把這些元件連接起來形成數位邏輯電路,並且在工廠裡達到 90% 以上的良率大量生產成為產品卻很不容易。

 

奈米碳管與石墨烯:工程上難以量產的「高科技」

1991 年科學家發現奈米碳管(Carbon Nano Tube,CNT),2004 年科學家發現石墨烯(Graphene),這兩種新材料結構都是由碳原子組成,只是原子排列方法不同而已,如圖二所示,這兩種材料具有比矽更好的特性,包括:良好的導電性與導熱性、極高的材料強度等。

雖然這幾年手機處理器進步很快,但好像只是由雙核心進步到四核心、八核心,而處理器的工作頻率(MOS 每秒鐘的開關次數)大約都在 2GHz 左右,並沒有太大的進步,這是矽原子天生的限制;而使用碳原子的奈米碳管或石墨烯來製作電晶體,則處理器的工作頻率有機會超過 100GHz。

最近 IBM 宣稱已經製作出奈米碳管電晶體(CNT transistor)、石墨烯電晶體(Graphene transistor)等元件,目的就是要取代 MOS,他們將金屬鉬 (Molybdenum)銲接到碳奈米管兩端來維持電晶體內部低電阻,並且將奈米碳管的管徑縮小到 10 奈米以下,聽起來真是科技跳躍式創新的絕佳材料,但是奈米碳管目前主要是使用氣相沉積法製作,成長好的奈米碳管就像雜草一樣,而這堆亂七八糟的雜草管徑只有 10 奈米(病毒的尺寸大約100奈米),工程上該如何將管徑只有 10 奈米的東西放到矽晶圓上把它連結在源極(Source)與汲極(Drain)之間形成電晶體呢?而且還要一根一根排列整齊,還要在上面進行「布局(Place)」與「繞線(Routing)」,說真的,只要進過實驗室做過這種材料製程實驗的人,想到這裡應該開始頭皮發麻了。

註:大部份的人沒有親眼看過奈米碳管,很難把它和雜草聯想在一起,有興趣看看奈米碳管的人可以參考這裡,這些是奈米碳管的電子顯微鏡照片。

其實從這些材料的發現到現在已過了十幾、二十年,為什麼這種跳躍式的科技創新仍像是紙上談兵,沒有看到它改變半導體工業?從上面的說明大家就可以感覺得到,雖然這些科學上的新發現帶給我們對未來的無限憧憬,但是十幾、二十年內要把這些東西在工廠裡達到 90% 以上的製程良率大量生產成為產品,真的是不太可能的。

註:處理器的工作頻率可以想像成 MOS 每秒鐘開(ON)與關(OFF)的次數,G=10 億,2GHz 代表每秒鐘的開關 20 億次。
曲老師

▲ 圖二:奈米碳管與石墨烯都是由碳原子組成。(Source:Flickr/AJ Cann CC BY 2.0、Flickr/CORE-Materials CC BY 2.0)

(首圖來源:Flickr/Ariel Leuenberger CC BY 2.0)

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