就像所有以設計計算機芯片爲生(shēng)的人一(yī)樣，詹姆斯·邁爾斯(James Myers)也是芯片設計師。“矽是傑出的，”他說。這是因爲它是一(yī)種天然的半導體(tǐ)——根據不同的條件，它既能導電(diàn)又(yòu)能充當絕緣體(tǐ)——還因爲它可以在小(xiǎo)範圍内進行設計。這是因爲它是地球上第二常見的元素，可能現在就附着在你的腳底上，而且很容易通過加熱沙子産生(shēng)。這些特性使它成爲我(wǒ)們今天使用的幾乎所有技術的基礎。像英國半導體(tǐ)公司Arm的工(gōng)程師邁爾斯這樣的人，大(dà)部分(fēn)時間都在思考如何在更小(xiǎo)的空間裏封裝更多的矽——從20世紀70年代的每片芯片擁有數千個晶體(tǐ)管到今天的數十億個。有了摩爾定律，我(wǒ)們就像邁爾斯說的，“在矽裏遊泳”。
然而，在過去(qù)的幾年裏，邁爾斯一(yī)直在把目光投向矽以外(wài)的其他材料，比如塑料。這意味着要從頭再來。幾年前，他的團隊開(kāi)始設計包含數十個晶體(tǐ)管的塑料芯片，然後是數百個，現在，正如《自然》雜(zá)志(zhì)周三報道的那樣，已經有數萬個了。32位微處理器包含18000個邏輯門(你從晶體(tǐ)管中(zhōng)得到的電(diàn)子開(kāi)關)和計算機大(dà)腦的基本葉:處理器、内存、控制器、輸入和輸出等。至于它能做什麽?想想上世紀80年代早期的桌面電(diàn)腦。
爲什麽要把科技時光倒流呢?因爲現代矽芯片是易碎的，不靈活的電(diàn)子晶圓。在壓力下(xià)，他們會嘎吱作響。雖然矽很便宜，而且越來越便宜，但在某些情況下(xià)，它可能永遠都不夠便宜。假設把一(yī)個電(diàn)腦芯片放(fàng)在牛奶盒裏，用一(yī)個檢測化學變質迹象的傳感器代替打印的過期日期。有用嗎(ma)?有幾分(fēn)!但隻有在成本極低的情況下(xià)，才值得增加數十億盒牛奶。Arm正在測試的一(yī)種應用是一(yī)種安裝在胸部的芯片，它可以監測病人的心律失常(一(yī)種不穩定的、輕快的心跳)，但幾個小(xiǎo)時後就會被丢棄。因此，你想要一(yī)台便宜的電(diàn)腦，但更重要的是，一(yī)台能彎曲的電(diàn)腦。邁爾斯說:“它需要與你一(yī)起移動，而不是突然消失。”
一(yī)些材料理論上可以滿足這些需要。研究人員(yuán)已經用有機材料和設計好的襯底制造了晶體(tǐ)管，襯底是晶體(tǐ)管的晶片，襯底是金屬箔甚至是紙(zhǐ)張。周三，Myers的團隊描述的芯片是由金屬氧化物(wù)制成的“薄膜晶體(tǐ)管”組成，金屬氧化物(wù)是铟、镓和鋅的混合物(wù)，可以比矽更薄。襯底是聚酰亞胺，一(yī)種塑料，而不是矽片。它便宜、薄、靈活，但在設計上有點麻煩。塑料的熔化溫度低于矽，這意味着一(yī)些涉及加熱的生(shēng)産技術不再适用。而且這種薄晶體(tǐ)管可能存在缺陷，這意味着能量不能像芯片制造商(shāng)所期望的那樣在電(diàn)路中(zhōng)移動。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，同樣的問題困擾着芯片制造商(shāng)。他現在能同情他的老同事了。
與現代64位矽處理器中(zhōng)的數十億個門相比，18,000個門聽(tīng)起來并不多，但邁爾斯自豪地談到它們。當然，微處理器并沒有做太多事情。它隻是運行他五年前編寫的一(yī)些測試代碼，以确保所有組件都正常工(gōng)作。該芯片可以運行與Arm常見的基于矽的處理器之一(yī)相同類型的代碼。
該研究的合著者兼PragmatIC技術高級副總裁Catherine Ramsdale解釋說，與矽器件的一(yī)緻性是關鍵，該公司與Arm一(yī)起設計和生(shēng)産柔性芯片。雖然材料是新的，但其想法是盡可能多地借鑒矽芯片的生(shēng)産過程。這樣，更容易批量生(shēng)産芯片并降低成本。Ramsdale表示，這些芯片的成本可能是同類矽芯片的十分(fēn)之一(yī)，因爲塑料便宜且設備需求減少。她說，是的，這是一(yī)種“務實”的處事方式。
斯坦福大(dà)學(Stanford University)的電(diàn)氣工(gōng)程師埃裏克·波普(Eric Pop)沒有參與這項研究，他說，這種芯片的複雜(zá)性及其包含的晶體(tǐ)管數量給他留下(xià)了深刻印象。“這推動了技術的進步，”他說。但實用主義也有局限性。最清楚的是這個設備消耗了多少能量。該芯片消耗21毫瓦的能量，但其中(zhōng)隻有1%用于執行計算;其餘的都被浪費(fèi)了，因爲芯片處于閑置狀态。他解釋說，在戶外(wài)，用一(yī)個比郵票(piào)還小(xiǎo)的太陽能電(diàn)池就可以生(shēng)産這種芯片——換句話(huà)說，不是很多——但随着柔性芯片變得越來越複雜(zá)，這并不是提高效率的好起點。“你要做什麽，把自己連到一(yī)個巨大(dà)的電(diàn)池上嗎(ma)?”流行問道。
邁爾斯說，這些小(xiǎo)型芯片的計劃是使用類似于智能手機支付的無線充電(diàn)技術。但他承認芯片需要更節能——他相信在一(yī)定程度上是可以做到的。他說，目前的設計可以做得更小(xiǎo)、更高效，也許足夠擴大(dà)到10萬個閘門。但這可能是極限。原因是它的設計相當簡單。晶體(tǐ)管有兩種形式，稱爲“N”和“P”。它們是互補的。有電(diàn)壓時打開(kāi)，沒有電(diàn)壓時關閉;另一(yī)種則相反。“你真的想擁有他們兩個，”爸爸說。Arm芯片洩漏這麽多能量的一(yī)個原因是它隻有N型。使用Arm和PragmatIC選擇的材料，P型晶體(tǐ)管的設計難度更大(dà)。
縮放(fàng)的一(yī)個選擇是轉向其他柔性材料，如碳納米管，因爲這兩種材料都更容易制造。波普實驗室正在研究的另一(yī)種選擇是，使用在剛性襯底上制造的二維材料，然後轉移到柔性材料上，以減少晶體(tǐ)管的尺寸和功率需求。在這兩種情況下(xià)，代價可能都是制造成本的增加。
Subhasish Mitra在斯坦福大(dà)學計算機科學家領導的第一(yī)個示範2013年碳納米管電(diàn)腦,說,雖然手臂的設計似乎不展示任何理論上的突破,研究人員(yuán)似乎産生(shēng)了一(yī)種相對簡單的設備制造和用于實際應用。“時間會告訴我(wǒ)們應用程序開(kāi)發者将如何利用這一(yī)點，”Mitra說。“我(wǒ)認爲這是令人興奮的部分(fēn)。”
哪種柔性材料最終有意義将取決于芯片需要如何使用，波普解釋說。例如，矽并不總是注定要成爲我(wǒ)們設備的核心。有一(yī)段時間，科學家們認爲這可能是鍺——一(yī)種比矽更優越的半導體(tǐ)元素。但它并不叫“鍺谷”。矽更容易獲得，在某些方面也更容易設計。廉價的柔性芯片還處于早期階段。我(wǒ)們需要紙(zhǐ)質電(diàn)子産品的可回收性嗎(ma)?碳納米管的潛在功率和規模?或許我(wǒ)們隻是需要塑料的實用性。
也許摩爾定律不太可能适用于塑料芯片。拉姆斯代爾說:“我(wǒ)們并不是在尋找矽能出色發揮作用的市場。”該公司主要着眼于“矽被有效地過度設計”的用途。在矽領域，對更強大(dà)設備的需求推動了規模和功率的指數級增長。裝在牛奶盒裏的電(diàn)腦芯片也是這樣嗎(ma)?也許回到上世紀80年代就足夠了。