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企業趨勢

從光子電腦到奈米碳管 為何跳躍式的科技創新這麼難?

以矽為主體的半導體工業,已主導整個行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,希望能夠徹底顛覆半導體工業,但是這些新材料或技術常常被傳媒報導之後,卻又曇花一現最後默默無聞,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?

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集成電路的基本元件:MOS

MOS 是目前半導體行業最常使用的一種電晶體,科學家將它製作在矽晶圓上,是電子訊號的最小單位,我們可以想像一個 MOS 代表一個 0 或 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「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「ON」的狀態,我們可以想像成這個位元是 1。

電腦是以 0 與 1 兩種電子訊號來運算;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。

MOS 是控制電子來進行開關,OFF 代表 0,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。

 

製造光子電腦的困難

目前被提到的取代方法之一,是以光子(Photon)來取代電子(Electron),原理類似電子,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?

首先是光子不易控制。將電子元件縮小堆積起來稱為「集成電路(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 OFF 兩種狀態並不困難,但是集成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邏輯電路,這是集成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) )」,包括集成電路「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,在集成電路內或印刷電路板(PCB)上的金屬導線,不論線路如何複雜,電子都會沿著金屬導線前進,簡單的說,電子可以 90 度直角轉彎,如圖(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(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(c)所示,因此光學元件不易縮小。

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其次是光子的儲存問題。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 。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,與 CD 和 DVD 不同,這種元件只是利用凹凸使光反射來回的多(代表 1)與少(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。

 

科技創新最難之處:科學理論與實際量產的差距

由於集成電路最基本的元件是控制電子來進行 ON 與 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)」。

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變成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非常困難。

 

納米碳管與石墨烯:工程上難以量產的「高科技」

1991 年科學家發現納米碳管(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,如圖所示,只是原子排列方法不同而已。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。

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雖然近年手機處理器進步很快,但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。(處理器的工作頻率可以理解成 MOS 每秒鐘開(ON)與關(OFF)的次數,G=10 億,2GHz 代表每秒鐘開關 20 億次。)

而最近 IBM 宣稱已經製作出的納米碳管電晶體(CNT transistor)、石墨烯電晶體(Graphene transistor)等元件,目的就是要取代 MOS,他們將 Molybdenum 銲接到碳納米管兩端來維持電晶體內部低電阻,並且將納米碳管的管徑縮小到 10 納米以下,聽起來真是科技跳躍式創新的絕佳材料。

但納米碳管目前主要是使用氣相沉積法製作,成長好的納米碳管就像雜草一樣,而納米碳管的管徑只有 10 納米,工程上該如何將管徑只有 10 納米的物料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?而且還要逐條整齊排列,並且在上面進行「布局(Place)」與「繞線(Routing)」,過程絕對異常艱難。

其實從這些材料的發現到現在已過了十至二十年,為什麼這種跳躍式的科技創新仍然是紙上談兵,沒有看到它真正改變半導體工業?通過以上的說明大家應該可以感受到,雖然科學上的新發現帶給我們對未來的無限憧憬,但是在數十年內要把新發現的材料在工廠裡達到 90% 以上的製程良率大量生產成為產品,真的不太可能。

 

(本文由 TechNews 授權轉載)

 

Tags : Carbon Nano TubeCNTGrapheneMOSPhotonic computerQuantum Computer
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