文摘

英特尔摩尔观察一个指数的晶体管数量每18个月翻一番自1965年以来,通过晶体管的大小减少组件。在观看移动计算与不知足的食欲,我们探讨了必要增强纳米技术日益成熟,面对不可避免的量子力学的原子和原子核的限制。因为我们不能分解原子大小障碍,事实上意味着基本大小限制在原子/核规模。这意味着,不再简单的18个月翻一番,但是其他形式的晶体管翻番可能发生在不同的斜率。我们特别感兴趣的纳米增强区域。(我)三维:如果进展萎缩的平面尺寸是慢下来,垂直整合可以帮助增加晶体管密度区域设备。随着设备继续缩小到20到30 nm范围内,热性能和运输的考虑这些设备变得越来越重要。量子计算(2):其他类型的晶体管材料迅速发展在实验室在世界范围内,例如,自旋电子学,Nanostorage,惠普显示纳米技术,修改。我们将考虑声子工程基本信息单位的限制“Qubyte”在量子计算中,纳米/微型电子机械系统(NEMS),碳纳米管,单层石墨烯,上体验过单条Nano-Ribbons,等等。

1。介绍

有很多论文和科学家的实验对生命和死亡的摩尔定律处理一些技术问题和经济障碍。的确,看着集成电路从1975年到2011年的历史,一倍的晶体管数量每24个月是一个很好的估计。这种预测,称为摩尔定律,已经成为整个半导体行业的商业格言。然而,“摩尔定律是什么”和“怎么了”尚不清楚。我们观察到摩尔定律已超出其最初的意图和意义。摩尔定律的定义是指任何相关半导体行业,半对数纸上绘制时,近似于一条直线(1]。

摩尔定律在这种工作,通过回顾历史,调查可能的障碍摩尔定律,并预测潜在的纳米技术提高摩尔定律,我们定义了一个未来关键技术的路线图。此外,我们也估计摩尔定律,假设我们关注技术能力。

2。摩尔定律的历史

阿兰·图灵在他1950年的论文(2]“机械和智能计算”曾预测,到世纪之交,我们将“计算机存储容量约为10⁹“今天我们称之为128字节处理速度、内存容量,传感器,甚至在数码相机像素的数量和规模,例如,智能手机。在他之后,戈登·厄尔·摩尔(生于1929年1月3日;加州大学伯克利分校的BS化学,1950;加州理工学院博士学位。主要物理化学和小调,1954)是英特尔公司的创始人之一和名誉主席。1965年,摩尔,飞兆半导体公司(后来英特尔)的创始人,在他著名的文献[3),“最小组件成本的复杂度增加了大约两倍的速度每年”。十年这一趋势推断,摩尔预测芯片65000组件将会在1975年可用。这个观察电路密度的指数增长已经被证明是一个伟大的先见之明在现代的例子。

摩尔然后精炼他的组件数量估计,在1975年,每24个月翻一番,从而降低指数增长相比,他最初的估计在1965年(4]。基于集成电路的历史,从1975年到2008年,一倍的晶体管数量每两年是一个很好的估计。

这种预测称为摩尔定律已经成为一个了不起的进化趋势对整个半导体行业。

的确,摩尔本人已经观察到,在1995年,半导体行业不能无限期地继续其快速增长的指数,因为它将超过世界生产总值(GWP)一段时间了。与此同时,大量的出版物摩尔定律处理技术的局限性,例如,(5]。

3所示。目前摩尔定律的屏障

戈登·摩尔的预测是晶体管的密度和计算能力每24个月增加一倍,这以来有少于100个晶体管集成电路。今天的数以百万计的晶体管在一个单一的综合计算机芯片仍遵循这一趋势。这个神奇的预测鼓励一些作者状态,“定期,人们预测死亡的摩尔定律。他们国家,摩尔定律最终会因为一些未来的技术或科学的障碍。然而,迄今为止,工程师和科学家已经找到一种方法围绕这些问题,和摩尔定律仍然是一个准确的预测未来发展的技术”(6]。

在本文中,我们讨论了可能的障碍的摩尔定律随后可能的技术,可提高沼泽定律。

3.1。处理器的性能需求

最近英特尔首席技术官贾斯汀•赖特那在采访中表示与网络世界,摩尔定律可能会几十年的规则。“如果摩尔定律只是一个衡量每个芯片的电子设备数量增加,然后摩尔定律有更多的时间去,可能几十年”;他是引述说。

图2显示了从130纳米到22纳米技术节点最近宣布与半导体芯片的性能。门的长度不断萎缩减少随着技术的节点。作为过去的几十年里,大多数人预期的性能或设计的半导体芯片的速度应该增加。然而,我们可以观察到从这个图表现,相比之下,减少技术节点后达到65海里。

这个结果的主要原因是主要从以下:当前的泄漏,功耗和散热。这些因素将限制现代消费者需求的产品,如智能手机,笔记本电脑,平板设备。

司机的技术开发分为两个顶级类别:推拉。电子已经成为2万亿美元美国工业生产力的推动者和增长在经济活动的所有领域,移动设备显然是主要的司机推动经济。然而,这些司机,在合同,成为半导体芯片的性能拉司机由于以下主要因素:成本低、流动性和低功率。首先,现代移动设备的主要人物大量的终端用户和回收时间短。这将限制移动设备的单位成本。因此,研究和开发的成本,制造、发短信,和包装也将有限。其次,现代移动设备的其他角色是流动性。这将限制移动设备的重量。然而,它增加了对无线通信模块的需求,比如WiFi,蓝牙,GPS和3 g / 4 g通信,在这些设备。因此,一个复杂的权衡成本、重量和性能需要认真考虑在现代移动设备行业。 In other words, when we discuss Moore’s Law, it is not just simply a measure of the increase in the number of electronic devices per chip.

3.2。电源/消费和散热器

在移动设备行业不断成长的过程中,能量总是在这个世纪最重要的一个问题。因此,研究和开发新型储能材料和设备得到全世界的关注,越来越多的研究兴趣7]。石墨烯独特的二维碳材料,将是一个很好的电极材料能量转换候选人/存储系统由于其高比表面积、良好的化学稳定性,优良的电气和热导率以及非常高的机械强度和杨氏模量。

事实上,提高电池性能性能的处理器可以提供更多的空间。然而,产生的热量会成为移动设备开发的另一个障碍,尤其是智能手机,平板电脑,Ultra-Book不允许一个内置风扇的结构。这些限制将成为另一个因素在未来进一步限制摩尔定律。

3.3。隧穿效应

半导体制造商能够生产的芯片在14纳米制造工艺,保守估计的预期在2018年到达。然而,半导体生产商将无法缩小晶体管,如果,2021年以后,根据英特尔的一篇新论文(8]。晶体管本质上是微小的开/关开关由一个源(S),电子从何而来,下水道(D),电子目标,和一个门(G),主要是控制流动的电子通过一个通道连接源极和漏极。当门的长度小于5纳米,然而,隧道效应将开始发挥作用。电子会穿过英吉利海峡自己没有任何驱动电压,因为它的源极和漏极是极其密切的。因此,晶体管变得不可靠作为基本数据的来源,因为自发传播的概率大约是50%。换句话说,海森堡的不确定性原理在行动,因为电子的位置无法准确预测基于海森堡的不确定性原理。

基于摩尔定律以两年为一个周期,这将意味着16-nanometer芯片将在2013年出现的障碍预防新的,更小的芯片是在2015年。

然而,半导体制造商不得不延迟最近新工艺的引入,2012左右。使用一项为期三年的日历,5纳米的芯片不会触及到2018年或2019年基于新技术进展更新历史,把障碍一代约为2021。国际半导体发展路线图时间表将提供更多细节关于不同的制造技术对于一个给定的年份。

然而,隧道效应会发生无论晶体管的化学材料。一些研究人员多年来预测最后的摩尔定律,但犯了一个错误的推断现有材料的基础上。

3.4。摩尔定律的量子极限

戈登·摩尔本人接受采访时表示9月18日,2007年,英特尔每年两度的技术会议上,我们很快就会在撞击物理定律:“另一个十年,十年半我想我们会非常基本的东西。”

因为这涉及到一个物理限制(用他的话说),他继续引用斯蒂芬·霍金在2005年访英特尔。“当斯蒂芬·霍金被问及微电子的基本限制,他说光的速度和物质的原子性质”(9]。确定一个最终的物理极限摩尔定律将标志着未来的边界电子产品小型化。

计算的量子极限摩尔定律是由写作摩尔定律方程形式(5]

这个方程预测数量在任何给定的晶体管或同等计算能力从数量早些时候在任何其他的晶体管(5]。

从摩尔定律的定义,我们知道特征维度或长度晶体管的晶体管的数量成反比如果测量IC。在“每米”,然后,从多维度分析,测量吗是米(m),或者,同样,是每米数就像在(1)。

我们可以重写(1),

电子的特征维度从康普顿波长(海森堡不确定性10]根据普朗克常数,电子的质量,光的速度。

电子的康普顿波长测量其位置的基本限制基于量子力学和狭义相对论,或长度尺度在相对论量子场理论对于一个适当的描述是必要的(11]。因此康普顿波长的基本边界确定粒子的位置(或旋转),满足斯蒂芬·霍金的预言,这一限制将基于光速和物质的原子性质是由,,(5]。重写(2)用2008年可用技术,晶体管特征尺寸,和康普顿波长,米或0.00243 nm: 解指数使用自然对数函数,我们结束

这是摩尔定律预测的量子限制年如果电子作为最小的量子计算实现晶体管元素(5]。

3.5。经济极限摩尔定律

元件密度越高导致最终消费价格下降。然而,生产成本跟随一个相反的趋势:研发、生产、和测试与每个新一代越来越昂贵。这一观点被称为岩石定律有时也称为摩尔第二定律(12];制造设施(fab)成本也遵循一个指数级增长。尽管设施成本的指数增长,每运输单位成本下降速度指数。卡尔·拉普第一次调查经济局限性半导体业务。总结他们的研究结果已经发表在13]。卡尔后来发现如果一个工厂的成本最多GWP的0.02%(即,),减少了每个芯片的晶体管数量的增长为经济原因可能发生约2020,如图3。

3.6。车载限制摩尔定律

有很多论文,讨论生活和死亡的摩尔定律,它们处理半导体芯片内部几个技术问题。然而,任何半导体芯片无法生存在没有PCB板,无论是否灵活。

更高的带宽变得比以往任何时候都重要的在今天的计算机系统。个人电脑、路由器、交换机和游戏机都需要更高的带宽来满足日益增长的新的应用程序的性能需求。此外,集成电路技术的不断扩展,证实了摩尔的预测,近些年,导致了巨大的计算能力,因此数据处理能力进而创造了高速通信系统中不同组件的需求(14]。这些系统扩展到光通信网络跨越全球,但所有下来到沟通在一个委员会(15]。信息的大通量的芯片使得简单的输入/输出(I / O)司机被替换为复杂的高速电路反过来依赖于可靠的高带宽通道。

通道设计,方便和理由忽视了在较低的频率,已成为高速通信的一个主要瓶颈。数据速率的增加到数十千兆比特每秒(Gbps)地区引发了更加谨慎信号完整性的考虑通道的设计从一个芯片的发射机接收机上。波长大小的减少由于更高的频率信号引起了一次短电长度的不同组件成为重要的由于输电线路延迟、损失和信号耦合在这些组件16]。

因此,车载输电线路将成为一个了不起的瓶颈的输入/输出半导体设计。

此外,另一个可能的车载屏障将另一端的输电线路我们上面所讨论的,也就是说,最先进的模拟数字转换(ADC)设备。

ADC器件物理信息转化为一连串的数字,使数字处理,复杂的软件算法。ADC任务本质上是复杂的:它的硬件必须持有的快照fast-varying输入信号稳定,而获取的测量。由于这些测量时间间隔,连续快照丢失之间的值。一般来说,因此,没有办法恢复之前的模拟输入,除非一些结构合并(17]。在工程的一种常见方法是假设信号带宽受限,这意味着谱内容局限于最大频率-麦克斯。带宽受限的信号(因此慢)有限时间变化,因此可以完全重建均布样品率至少2次-麦克斯,称为奈奎斯特速率。这种基本的结果通常是由于工程社区Shannon-Nyquist (18]。

均匀采样ADC设备在市场上是最常见的技术。图4地图现有货架ADC设备根据他们的采样率。ADC行业永远遵循奈奎斯特的范例数据报告的所有的设备都在图中高亮显示的转换速度,指统一的采样输入的。该行业不断努力增加可能统一的转化率。

因此,在ADC设备的用户输入/输出可能成为半导体设计的另一个可能的障碍。这一障碍可能发生更快更高质量的视频和音频时要求以及速度更高的要求无线通信移动设备,如智能手机、平板电脑和笔记本电脑。

3.7。移动装置产业

移动设备的发展,特别是智能手机和多媒体移动(嗯)手机,功能更多,更快的下载速度是成为客户的主要需求。结果,手机市场不仅取决于更好的硬件也带宽和频率的问题。这是显示在图5每月低于移动带宽(TB)自2011年以来生长极快(19]。我们可以发现不同的媒体分享整个带宽使用情况。所以之间的共享和相声数十亿用户需要的带宽共享策略。

此外,视频将占移动流量的64%,到2013年,移动数据流量将每年到2013年的两倍多。在2013年,最重要的是,移动数据流量将超过2008年66倍移动数据流量。

新技术的快速发展,电子设备往往是更小、更高效。市场开发从PC到笔记本电脑和手掌,一直到手机和智能手机。移动设备,如智能手机和平板电脑,变得比以往更受欢迎。在大多数国家,占领移动设备的比例远高于电脑。如图6,全球互联网用户将在未来几年内翻一番,其中大部分将移动设备(20.]。

由于全球网络设备销售的研究,在几年内,移动设备将矮个人电脑的数量。这是显示在图7PC销售曲线将成为平数年后,而智能手机和平板电脑的销售将会直顶部(21]。

全球手机市场预计将在2015年价值3414亿美元,而智能手机会占据整个手机销售市场的75.8%。

然而,移动设备的快速发展会对摩尔定律的影响,这是一个在电子制造领域的关键因素。实际的情况是,有一个种族为移动设备市场的需求与摩尔定律的现实。法律即晶体管的数量可以廉价地放在一个集成电路大约每两年就增加一倍,性能将同期的两倍。本法一直真正的在过去的40年里,科技产业驱动,并使计算设备更便宜、更小、更强大,因此提供更多的功能。通过预测,摩尔定律将不会完全精确的未来几十年由于功耗的限制,大小,和价格。

3.7.1。移动装置产业:尺寸/重量

今天,移动设备变得更小、更轻,以满足用户的需求和技术最先进的逻辑节点在生产22纳米在2012年和2013年的目标将14 nm。由于特征尺寸低于100海里,硅技术已经进入的领域纳米技术和摩尔定律继续真的变得越来越困难,需要新的结构,材料和技术。

三个重要因素,以减少大小光刻,平面CMOS晶体管的可伸缩性和性能退化由于扩展。但我们可以预测,球场将缓慢而停止的趋势在未来10年,因为大小不能分开一半无限由于物理规则。解决光刻工具路线图,经典的螺距的大小对于一个给定的光刻单一曝光是一个直接的投影光学系统的衍射极限分辨率的结果。横向光学分辨率的商照明波长,,数值孔径,NA,投影光学根据著名的瑞利公式,在那里是一个过程因素取决于光学系统的具体细节。

在过去的几年中,这些因素已经解决增加实现光刻系统的分辨率,最后达到他们的局限性22]。模式更好的球场,现在双嗒嗒嗒地或DUV行业解决方案。然而,对于双嗒嗒嗒地,它将花费额外的处理有挑战性,当小于22纳米,结果在一个成本的问题。同时,DUV(远紫外线)方法,它有接近193海里(技术限制23]。因此,摩尔定律由于这些限制不会永远持续。

3.7.2章。移动装置行业:市场价格

正如上面所讨论的部分3.5,较小的大小会导致成本的问题。同时,为了确保移动设备的市场,为每个供应商必须考虑经济因素。这意味着如果冷却器功能成本继续增长,增长的市场价格将限制摩尔定律预测的发展。这是因为有一个经济地区供给和需求之间的关系。例如,如果价格上涨,消费者将减少的数量,然后产品的数量将会减少。在他的研究中讨论部分3.5卡尔·拉普指出,摩尔定律将放缓的限制GWP(世界生产总值)约2020,如图3。

3.7.3。移动设备驱动的产业:能源消耗和香农定律

根据摩尔定律,晶体管的大小应该每2年正如上面所讨论的一半。但当最小化,物理性质会改变了很多纳米晶体管。它将推出很多新的泄漏机制如门隧道渗漏、结隧道渗漏,阈下的泄漏。在这种情况下,控制泄漏功率和动态功率,电源管理集成电路将介绍SoC (24]。这里推断功能的晶体管的数量将不会由于涉及电源管理电路翻倍。

为移动系统,提供的自由完全取决于能源电池。作为一个固定的能量电池可以存储,设备的操作时间是有限的(25)和用户的操作时间成为一个重要的因素,因为挤的功能。所以很多便携设备设计的主要限制因素不是硬件或软件,而是可以由一个电池多大的权力。

然而,研究[26)指出,尽管在过去的20年中系统功耗保持不变在每个transistor-double技术生成周期,在接下来的20年里,功耗将成为一个关键问题将会限制晶体管的性能。因此,如果我们使用电源管理技术来降低功耗,正如上面所讨论的,功能的晶体管的总数不会翻了一倍。如果我们不使用低功耗的设计来解决这个问题,然后,电池能量的能力对于一个给定的体积双打每十年只有一次,如图8,将与摩尔定律冲突。综上所述,无论我们选择哪种解决方案,这将使摩尔定律在未来趋势下降。

图8总结了移动设备行业面临的主要挑战,它描述了算法复杂度之间的差距,处理器性能和电池容量的预测。算法复杂度,由香农定律,告诉最大速率信息可以通过指定的通信信道传输带宽的噪声。它预测,8.5个月的传输性能提高两倍,而在18个月内处理器性能提高两倍。此外,它需要电池制造商5到10年达到相应的功率密度的增加。

讨论移动带宽的特点,Nyquist-Shannon抽样定理描述了一个在世界范围内抽样法与带宽和频率。如果一个函数定理州不包含频率高于带宽赫兹,它完全取决于它的纵坐标的一系列点间距为1 / (2)秒分开。现在使用的主流信息技术等世界著名的码分多路复用(CDMA),正交频分多路复用(OFDM)和多输入多输出(MIMO)。CDMA,几乎所有被选择的几种表现形式之一第三代蜂窝系统,OFDM和MIMO,这似乎是最青睐的未来一代(27]。

CDMA扩频多址技术,传播的带宽数据统一为相同的发射功率和扩频传输带宽使用几个数量级大于信号带宽的最低的要求。OFDM是一种编码方法数字数据在多个载波频率与所有互相正交的载波信号。正交性也允许频谱效率高,总符号率接近奈奎斯特率的等效基带信号而在表1。

虽然现在技术后Nyquist-Shannon抽样定理,定理本身是会议与摩尔定律的限制的。事实上,随着数据容量和带宽,I / O的数量将增长的抽样定理与摩尔定律不同的速度。Shannon-Moore增加大小的差距随着时间的推移,意味着增加晶体管和MHz本身并不足以使它们之间缩小差距。此外,它显示在图9下面,如果带宽容量的发展与Nyquist-Shannon抽样定理,将很难满足客户的需求28]。

从上面可以得出一个结论,Nyquist-Shannon抽样定理是越来越不适应的技术需求。在这种情况下,压缩传感、收购的另一个香农/奈奎斯特采样稀疏或可压缩信号,可以近似的元素从一个维的基础。而不是周期性的样本,内部产品的措施随机向量,然后通过sparsity-seeking优化恢复信号或贪婪算法27]。所以压缩传感只是获得一些压缩稀疏采样信号的传感信息。同时,感应波,与CDMA或OFDM信号的稀疏空间是无关紧要的。这些特征将使I / O Shannon-Nyquist相比减少采样和还将摩尔定律。结果,影响摩尔定律将Shannon-Nyquist理论将被消除。

4所示。Nanoenhancement摩尔定律

4.1。DNA脚手架小电路板

正如我们前面所讨论的,任何半导体芯片就不能生存在没有PCB板,无论是否灵活。由于高速通信车载传输线效应,它的时间为我们开始考虑电路板的新材料。

IBM的研究人员,与加州理工学院的合作,声称他们合作与自组装结合光刻图案设计方法安排的DNA“折纸”结构表面兼容当前半导体制造设备。IBM的开发出chip-building技术,使用一个dna片段像“脚手架结构。“作为显示在图10,低浓度的三角DNA折纸是绑定在光刻面宽线,由IBM科学家。

这项技术可能是一个重大突破在使半导体行业微型计算机芯片中添加更多的力量和速度,而使其更节能和更便宜的制造商。

正如我们在本文前面讨论的半导体行业正面临着发展的挑战光刻技术特征尺寸小于22纳米的晶体管和探索新的类,采用碳纳米管和硅纳米线。IBM的方法利用DNA分子scaffolding-where数以百万计的碳纳米管可以沉积和自组装成精确模式坚持DNA分子可能提供一种方法来达到sub-22纳米光刻技术(29日]。所涉及的成本缩减特性来提高性能是一个限制因素在跟上摩尔定律和整个半导体行业的关注。

4.2。3 d三栅极晶体管

40多年来,英特尔了摩尔定律的挑战。然而,一个基本障碍这是新兴技术正在接近原子尺寸。英特尔已经致力于技术来克服这个问题。

英特尔减少制造过程使用22纳米(纳米等于十亿分之一米)节点。接下来,英特尔离开传统的平面(二维)盖茨,反而使用3 d三栅极技术。让我们首先看一下电路尺寸的减少。为了的晶体管数量的两倍,科学家需要制造过程使用22 nm节点,这意味着电路路径并不比单个原子厚。

通过使用3 d技术三栅极,栅电极控制硅鳍从三个方向提供改进的亚阈值斜率。因此,逆温层面积增加更高的驱动电流。此外,英特尔开发团队声称,这个过程成本加法器只有2 - 3%。如数据所示1和11 (c),22纳米三维三栅极晶体管提供改进的性能在高电压和前所未有的性能在低电压。

测量结果显示性能在低电压相比增加40% 32 nm 2 d晶体管和消耗一半的力量相同的性能水平32 nm二维晶体管。

英特尔预计第一个微处理器使用22纳米三维三栅极晶体管(代号为常春藤桥)生产2012年底。我们只能想象未来的数字将当技术周围一些晶体管进步无处不在。

当英特尔22纳米制造过程工作,得到正确的的晶体管数量以适应可用的形式因素,摩尔定律是安全的另一个两年,当制造过程将使用14 nm节点。

4.3。自旋电子学

在传统电子理论中,负责电子实现功能用于二极管、晶体管、光电设备。然而,自旋电子学技术操纵电子自旋,或产生的磁场,实现新的或改进的功能自旋晶体管图12 (b)(30.如图,记忆12(一个)(31日),高速度,低功率,可调探测器,和激光,比特(Q-bits)量子计算。自旋电子学已经存在多年。IBM生产的磁盘驱动器,利用巨磁阻(GMR)技术,利用1997年这些属性。磁性随机存取存储器(MRAM)可能成为下一个自旋电子学是合并的地方。理想情况下,MRAM能够存储大量的数据,能耗小,比传统的闪存以更快的速度运作,并永存。图12 (b)显示了从一个调频注入自旋极化接触;其他调频接触分析仪,调节电流通过修改通过Rashba自旋进动效应,Asymmetry-spin-orbit交互。

找到一个替代flash技术,这是用于手机、数码相机记忆卡,和其他设备,紧急业务在半导体市场。对flash的需求增长非常迅速。

4.4。碳纳米管(CNT)

正如我们在前一节中讨论,IBM的方法利用DNA分子scaffolding-where数以百万计的碳纳米管(CNT)可以沉积和自组装成精确模式坚持DNA分子可能提供一种方法来达到sub-22纳米光刻技术。

在我们先前的工作(32),我们阐明的量子力学性质爱因斯坦光电效应的一个场效应晶体管(FET)碳纳米管(CNT)半导体制成的。因此,我们发现了一个令人惊讶的低通带隙特性如图(13日),而不是传统的带通带隙。换句话说,存在一个最少的光子能量照在问这是需要激发半导体问成自由电子。应用静态磁铁沿纵向方向如(图所示13 (b),(c)),传导电子和空穴在相反的方向将螺旋面降低电流密度和碰撞重组机会将因此减少旅行时从阴极到阳极端结束,由非对称半导体金属内部驱动(使用Ag和Pd)工作职能(肖特基界面效果)自动三极管宣读。

我们之前的作品(32]显示问半导体band-gap-like特征有别于传统的半导体。问半导体有低通带隙,而不是乐队传递,根据低通带隙问定理(Szu et al . 2008年)(33]:

微米尺度电路板革命的组合设计和场效应晶体管(FET)制成的半导体碳纳米管(CNT)是一个很好的候选人进一步加强沼泽定律在未来几十年。

4.5。单原子晶体管的

在晶体管的尺寸不断缩小基于我们讨论本文时间/地点可能是摩尔定律的终结吗?

科学家在澳大利亚34)声称,他们已经创造了一个晶体管单个原子的大小,为下一代的纳米技术。显微设备是由一个磷原子嵌入到硅与“盖茨”来控制电流量和金属接触,也在一个原子尺度。单原子创建在澳大利亚可以从根本上改变摩尔的预测,重新定义可能的未来的产品和他们的应用程序的大小。这个研究小组展示了一个工作晶体管组成的单一atom-nearly 100倍小于22纳米尖端晶体管制造的英特尔,正如我们之前所讨论的。更重要的是,该研究小组由米歇尔·西蒙斯悉尼新南威尔士大学的能够显示方法,重复这个过程与伟大的准确性和时尚与CMOS工艺兼容的今天用于晶体管制造。

西蒙斯的工作和她的同事可以显示一个方法使微处理器电路通过2020年及以后越来越小。近年来,量子计算的发展提供了一个可行的路径越来越小的晶体管。但是新的研究可能是第一个晶体管制造强烈的迹象表明原子水平可以做按照摩尔定律的一部分,是经常被遗忘在惊叹更小和更小的计算机芯片,它便宜。

4.6。量子计算机

量子电子器件和这个效果将更加明显随着晶体管分子尺度。

量子计算理论是其中一个可能的解决方案计算移动到一个不同的计算模式,基于使用量子力学的理论进行计算,而不是经典物理学(35]。量子世界的我们也将面对一个概率密度,传播世界各地没有检测操作,就不可能理解是否值是0或1。

作为数学定义Qbit是一个矢量,两个基本的线性组合基地州被称为和。一个向量表示显示为(35] 在这个术语叫做尿酮体是另一个表示一个向量,称为胸罩是一种转置向量,称为输入这两个向量的内积。向量空间,这叫做Hillbert内积空间。

这被称为线性组合基础的量子叠加状态和。这个定义是唯一的条件。这是因为和量子概率密度。一个示例Qbit模型如图14。

量子计算机还在路上的开始。它也表明,量子力学中可能扮演的角色意识,如果一个量子力学模型的思想和意识的开发,这将对计算和人工智能产生重大影响。如果大脑处理quantum-type转换在其神经网络这可能导致未来量子计算机在生物/化学性质(35]。

虽然量子计算可以降低我们的逻辑元件分子规模,然而,量子计算机仍面临以下挑战:(a)在长途互连,(b)室温操作,(c)缺乏古典高效算法,(d)设置系统的初始状态,和(e)单一缺陷点线将停止传播。

5。总结关键技术

表2显示关键的未来纳米技术的总结与已知的优点/缺点和应用。

6。摩尔定律的未来

有很多文件和讨论关于生命和死亡的摩尔定律(36]。在我们陷入这种无休止的辩论中,我们发现,我们可以比较的摩尔定律,半导体历史到今天,道琼斯工业股票平均价格指数曲线如图15。我们可以从这里学到比较,人们尝试他们最好的半导体的发展和股市在过去几十年的投资。似乎他们的曲线/趋势告诉我们,他们是高度相关的,至少从1971年到今天(当然我们登录的晶体管数量)。此外,如果我们比较,摩尔的预测半导体工业在过去的四十年里,我们必须承认摩尔是一个有远见的人!,不管将来会发生什么。

展望未来,在这个工作中,我们进一步确定未来的晶体管数量和地点在接下来的几十年,2020年,2030年,等等。然后,我们估计的大小我们调查工作的关键技术和定位在相同的图表,如果摩尔定律仍然活着。图15表明,我们将面临重要挑战几乎每一个十年,如果我们想要满足2050年摩尔定律。

摩尔定律何时会结束?这是一个受欢迎的问题,科学家们继续问。要回答这个问题,我们可能需要审核的原始定义摩尔定律。如果我们认为摩尔定律只是一个晶体管/组件计数芯片,然后我们可以很容易地打破这种法律的今天,通过半导体面积更大的堆叠多个死于一个。因此,在这项工作中,我们认为摩尔定律的晶体管芯片/组件密度和关注的技术壁垒。基于我们沿摩尔定律计算曲线如图15,到2060年,我们的技术节点将进入一个亚原子尺度。换句话说,我们没有什么可以改进在一个芯片上的晶体管/组件密度。我们唯一能做的就是扩展芯片在2 d或3 d(栈),使模具尺寸大,除非我们找到一种方法使原子内的一个开关,解决信号的驾驶性能问题也在原子尺度未来!否则,摩尔定律,讨论超过这一水平,在图15将变得毫无意义。

7所示。结论

是否存在一个极限摩尔定律是一个开放的讨论依赖于未来的电子创新,材料科学,物理学。摩尔的预测早在1965年因为图灵证明,他是一个独特的技术的远见卓识者,他悄悄地硅革命领导用自己的法律。我们估计,未来纳米技术将提高当前已知的摩尔定律的障碍。基于我们的规模估计这些纳米技术,我们进一步预测的主要里程碑和关键技术,面对我们在不久的将来,在图14。计算机行业和世界人口享受五个显著的几十年的摩尔定律。未来half-millennium,我们的讨论将摩尔定律的离散计算元素的密度将从量子力学的不确定性和纠缠技术变得毫无意义的观点。之前的那些日子,经济极限将继续扮演关键的角色,尽管我们知道我们不能打破的基本限制物质的原子和原子核性质。无处不在的计算在未来可能在一个完全不同的形式的信息表示和非局部操纵。然而,瓶颈可能在经典摩尔定律之间的转换局部计算和现代摩尔Law-distributed计算仍有待制定的其他一些有远见的人。

承认

这项工作是由美国空军科学研究办公室,授予2010 - 2012,和CUA部分支持。