「摩爾定律」走向終結,光子晶片將成為電子行業的未來?

 「預計晶片中集成電晶體的數量 24 個月會提高一倍。」——相信大家對英特爾聯合創始人戈登•摩爾提出的「摩爾定律」並不陌生。在過去的四十年裡，IT 行業一直受這一定律的驅動。不過近年來隨著傳統電子晶片發展速度的放緩，「摩爾定律」正逐漸走向歷史。未來，基於光子技術的新型晶片，或將打破電路元件的限制，建造出運算速度更快的計算機。

「摩爾定律」已接近物理極限

眾所周知，在過去的幾十年裡計算機行業的發展始終遵循著「摩爾定律」——半導體電路電晶體的體積越來越小，單個晶片上可容納的電晶體數變得越多，並呈每 18 到 24 個月翻一番的速度在迭代增長。而電晶體數量的增多意味著處理器的速度越快、效率越高——也就是說，同樣價格電子產品的性能，時隔 18 到 24 個月就會翻倍。

因此為了能在高速發展的 IT 行業立足，晶片製造商一直致力於研發更小的電晶體。目前電晶體的體積已經從 1907 的 100 毫米躍升至今天的 14 納米。而去年 10 月美國勞倫斯•伯克利國家實驗室的研究團隊更進一步，成功研發出柵極（電晶體內控制電流的部件）僅長 1 納米的電晶體——比一條 DNA 鏈還小（2.5 納米）。

不過隨著晶片技術的不斷發展，「摩爾定律」也逐漸遇到了物理法則的限制，自進入 21 世紀以來，出現了「放緩」的跡象。目前，電晶體的體積已經達到納米級別，繼續縮小的可能性正逐漸變小，「摩爾定律」所欲言的發展軌跡似乎已逼近極限。

事實上，晶片界也意識到電晶體尺寸接近下限這一現實。去年以英特爾、AMD 和 Global Foundries 為代表的美國半導體工業協會發表報告稱，到 2021 年，矽電晶體尺寸的縮小將不再是一件經濟可行的事情。取而代之，晶片將以另一種方式發生改變。

基於光子學的新型晶片或將打破這一僵局

近來，研發人員將目光從增加電晶體數量逐漸轉移至提升電晶體效率上，希望建造出信息處理效率更高的新型晶片。「與光子學結合的晶片技術，將成為電子行業的未來。」——以密西根大學材料學家 Arnab Hazari 為代表的科學家表示。

目前，電晶體依賴於電子移動來實現信息傳遞。而在晶片中由於光子不受電磁阻力等的影響，所以其傳播速度比電子快，可達二十倍以上。這意味著如果將半導體通路中的電子信號替換為光子，則晶片在不改變大小的情況下，計算機運算速度也能加快數十倍——如果按「摩爾定律」的邏輯，實現這一目標需耗費十幾年以上的時間。

而近年來科學家們在光子晶片研究中的突破也證實了這一方案的可行性。2015 年年末，來自美國的研究團隊開發出全球首款利用雷射來進行數據傳輸的光子晶片。該款晶片每平方毫米的信息處理速度達 300Gbps，比現有標準處理器快 10 倍。這表明，光子晶片在提升計算機運算速率上具有巨大的潛力。

此外不少公司也抓住了這個轉變的機遇，紛紛加入新技術研發的「戰局」。如英國公司 Optalysys 正研發基於光子技術的、專用於處理基因組數據的高性能電腦；而法國公司 LightOn 則致力於開發以雷射技術為基礎的數據處理系統。

不過光子晶片的研發現仍處於初級階段。若要正式落地，真正走向商業化，研發人員還面臨著不少挑戰——如何將新型光子晶片與現有計算機的電子通路更好地結合，如何實現更穩定的光子控制技術等。

Arnab Hazari 總結道，雖然與已經發展了幾十年的電子晶片相比，光子設備現階段所能執行的任務較少。但隨著研究的深入，光子晶片將很快趕上傳統晶片的速度，成為新生代計算機的核心技術。

電科技專注於TMT領域報導，青雲計劃、百+計劃獲得者。榮獲2013搜狐最佳行業自媒體人稱號、2015中國新媒體創業大賽總決賽季軍、2018百度動態年度實力紅人等諸多大獎。

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