資訊科技

交叉路上的奈米電腦新方向

將容易出錯的奈米線交叉組合,可能會是現有矽晶電路的下一步。

撰文/逵克(Philip J. Kuekes)、史奈德(Gregory S. Snider)、威廉斯(R. Stanley Williams)
翻譯/張明哲

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交叉路上的奈米電腦新方向

將容易出錯的奈米線交叉組合,可能會是現有矽晶電路的下一步。

撰文/逵克(Philip J. Kuekes)、史奈德(Gregory S. Snider)、威廉斯(R. Stanley Williams)
翻譯/張明哲

半個多世紀以來,矽晶片上電晶體的數目已經從一個增加到將近10億個──這項成就美名為「摩爾定律」。數位機器處理數字、邏輯運算,以及儲存資料的能力大幅增加後,這項前所未有在製程上的成就,對我們的日常生活造成了革命性的改變,也孕育出世界上最大、最有影響力的工業。


在未來的15年內,當越來越多的電晶體擠到矽積體電路(IC)後,晶片上圖案的最小長度將會縮小到接近分子的尺寸。即使是最樂觀的IC擁護者也認為,得有重要的創新,才能達到矽電晶體操作的最小尺寸極限:接近10奈米的圖案,或是差不多30個原子的長度。要進一步將計算機裝置縮小,以維持技術上的進展,關鍵是要找出替代的技術。但是由於矽IC過去的紀錄太過輝煌,任何在需要時可接替上的技術,在性能上必須跨過的門檻,都高到至少得花10年以上來發展。


世界各地的研究人員正在鑽研幾種令人期盼的替代技術。例如量子計算,這種新技術利用「詭異」的量子特性來處理資訊。不過,要實現量子計算還得花上幾十年的時間;即使能實現,目前也仍不清楚它在大多數的應用裡能有多大用處。因此,許多研究團隊正在找尋中期的替代方案,約可以在10年後商業化。在經濟上要能行得通,這項技術在很多方面必須和現有的IC處理器結構相通,包括關鍵的製造廠房及軟體平台等。


我們在惠普(HP)實驗室的研究團隊認為,最可能推進的途徑是利用交叉桿式的架構。交叉桿是由一組平行的奈米線(寬度少於100個原子),疊放在第二組奈米線上。在這兩組導線的中間,夾著一種透過電的激發即可以改變電流傳導能力的材料。每個導線交叉處形成的接點便成為一個開關,可以維持在「開」或「關」的狀態(見本期雜誌53頁〈交叉路上的開與關〉)。


交叉桿有幾個優點:規則的奈米線交叉圖案在製造上相當簡單,特別是與微處理器的複雜結構比起來。它的陣列式構造使電路可以清楚的實行缺陷許可技術(defect tolerance)。這種結構可以用各式各樣的材料和製程做出來,如果想調整現有的設計,或應用到新的材料上,都有極大的彈性。還有,這種單一的幾何結構可以做為記憶體、邏輯以及連線,應用上相當靈活。


領域交叉激發靈感


我們的團隊會走上這條研究之路是始於1995年,我們其中一個人(威廉斯)從美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)的化學系轉來HP。他雖然不是電腦專家,但是懂一些電子學:第一,計算機電路必須毫無瑕疵才能正確運作,第二,在室溫或以上,由於熵的關係,原子的紊亂運動會使得以數十億個元件製造出完美的機器(其中每個元件只由幾個原子組成),變得毫無希望。原子尺度下的不穩定甚至會讓奈米裝置的大小變得不規則,而損壞其電性,造成一部份的微小裝置無法運作。威廉斯因此很自然地認為不可能做出奈米電子裝置,所以他在HP的研究工作應該專注於其他技術上。


隔年,他與HP電腦架構工程師(逵克)一次偶然的碰面,戲劇性地改變了他的認知,也讓兩人走上預期之外的道路。逵克告訴威廉斯,他和其他人(包括史奈德)曾經建造過一台叫做Teramac的超級電腦。Teramac有大約22萬個有缺陷的元件(大約是元件總數的3%),但是運作上毫無問題。逵克說,其中的技巧是這台超級電腦在連接線路的設計上有很多候補(redundancy)。在找出所有缺陷並且做上記錄之後,電腦在編譯程式時會避開損壞的部份,基本上就是經由多餘的連結繞過缺陷。


威廉斯立刻看出Teramac的缺陷許可技術提供了一條途徑,建造出雖然有大量「損壞的」奈米元件,但卻可以無瑕疵運作的電腦。那年夏天,威廉斯和UCLA來訪的化學家希斯一起研究,將組裝奈米粒子(以微小的建造單元組合出複雜的結構)的各種想法運用到電腦上。在和逵克與史奈德多次討論以化學組裝電腦系統的缺陷許可性質之後,威廉斯和希斯寫了一篇文章當成課堂習作。讓所有參予的人很驚訝的是,其他人很認真的看待這篇文章,它最後發表在1998年的《科學》上。