【大紀元3月31日訊】摩爾定律﹐半導體行業的金科玉律﹐在經過了幾十年後﹐將于到巨大的挑戰。那就是﹐隨着半導體器件尺寸的不斷的縮小﹐電路不斷加速﹐其必將在運行中散發巨大的熱量。据稱，如果不采取新的設計思路，到了2004年，我們足可以“用芯片來煮雞蛋”。散熱，逐漸成為微處理器設計中的一個瓶頸。未來10年，摩爾定律還能起作用么？
1999年，威廉.珀爾曼（William Pohlman）的退休宴會剛剛開始，珀爾曼以前的兩個同事就把他拉在一旁，希望借他一臂之力，建立一個主要從事微處理器能耗需量控制的芯片公司，即Primarion公司。珀爾曼在英特爾公司工作了20年，退休前擔任英特爾微處理器集團的技術副總裁，他說：“我很了解未來芯片技術的發展趨勢以及所面臨的技術難題。”
時隔兩年，英特爾竟然把4200万個晶體管裝在了一個面積僅217平方毫米的硅片上，其奔騰IV處理器的運行速度達到了1.5千兆赫，也就是說，每秒運算15億次。芯片的密度和速度達到了目前這個程度，導致芯片溫度之高甚至可以把水燒沸。巨大的熱量很容易造成芯片故障。同時，构成這种芯片的材料正接近它的物理極限。現任亞利桑那州Primarion公司主席的珀爾曼說：“我們已經達到了極限。”
摩爾定律失效了？
芯片技術确實取得了一個了不起的進步。但是，如果不采取措施改變芯片的設計思路，到2004年，功能最強大的微處理器的耗電量將超過1千瓦，“到那時簡直可以用芯片來煮雞蛋。”前四年推出的兩代芯片都有可能出現這些問題。鑒于建造一個新的半導體工厂將耗時2年并耗資15億美元，所以芯片制造商把希望寄托在研究人員能夠及時找到解決問題的辦法。英特爾公司的首席技術官Gelsinger說：“我們的目標是證明‘摩爾定律’在下一個10年是正确的”。所謂摩爾定律是指每隔24個月，芯片技術的發展將使每個芯片上的晶體管數量增加1倍。
然而，實現摩爾定律必須要改進芯片的設計和組成材料。Gelsinger在最近舉行的一次行業研討會上指出，散熱技術是芯片行業目前最大的難題之一。晶體管的開/關切換需要一定能量。由于晶體管收縮，使晶體管無法完全斷開，從而造成長時間漏電，這樣一來就會產生電流，電流又造成發熱。如果不采取冷卻措施，芯片的溫度可以高達105度。然而，散熱要花費昂貴的代价，即使采用最簡單的散熱片（由吸熱材料构成），也會使600美元的芯片成本增加16美元。如果利用水來散熱，效果更好，但其成本更是散熱片的2倍。況且，電腦制造商不愿意在机箱里增加散熱設備來擠占空間。
新的解決辦法
新的冷卻技術已開始出現。2月底，加洲圣地亞哥的Incep技術公司推出了一种微處理器包裝技術，它其實是一個可以調節芯片和散熱片能量的邏輯電路板。Incep技術公司的總裁宣稱，雖然這种“包裝”的單价為200美元，但它既冷卻了芯片，又節約了机箱內部的空間。
位于科羅拉多州從事特殊材料和化學材料生產的Isonics公司提出采用新的芯片材料—-硅28。硅28的散熱效果优于普通硅，遺憾的是，硅28的散熱效果雖然好，但改用這种材料將使芯片成本至少增加25%。Isonics公司的CEO James Alexander說，他要找到一個忠誠的合作伙伴才能開始制造第一塊新材料芯片。他同時指出，另外有几家公司也在對這种材料進行試驗。
然而，最好的辦法是治本，盡量減少發熱。英特爾的Gelsinger正在開發几种技術來提高芯片的運行效率，比如在芯片上多增加几個高速緩沖存儲器以減少微處理器的工作量、使兩個微處理器享用一個高速緩沖存儲器以進一步減少單個微處理器的工作量、在芯片上指定一個特別分區來處理普通任務也有助于提高芯片效率，等等。
此外，英特爾和AMD公司都在致力于通過軟件技術，根据芯片的處理任務以最經濟的方式提供電能。AMD公司（位于加州桑尼維爾）的工程設計副總裁Frederick Weber指出：“用戶要求芯片同時間達到最佳性能的机會很小。”但是，根据任務的繁重情況，芯片的運行速度可以在300兆赫-1500兆赫之間進行調節。
加州的Transmeta公司采取了一种截然不同的方式，她不是机械性地降低處理器的運行速度，而是采用軟件來代替晶體管工作。Transmeta的這項技術稱作”無形代碼”(Code Morphing)，它把傳送給芯片的指令進行轉換，使轉換后的指令更加有效地得到處理。該公司的“克魯索”（Crusoe）芯片就采用了這种技術，芯片中共使用了大約100万個邏輯元件（如晶體管），“克魯索”芯片已經運用在索尼和日立的筆記本電腦上。正如該公司的創始人宣稱，他們的目標不是在兆赫這個級別上与別人競賽運行速度。
耗電難題是導致珀爾曼退休的原因之一。芯片以千兆赫速度運行需要消耗巨大的能量，設計者必須降低晶體管電壓，以避免燒坏電子元件。但是，一旦電壓低，芯片的脈沖信號隨之減弱，可能造成信號丟失。同時，如果電壓低于1伏，可能導致電子元件因電壓不足無法開啟，晶體管會從臨近的元件“盜取”電能，造成芯片電壓的微升。珀爾曼認為，只要巧妙地控制電壓就可以使問題迎刃而解。目前，Primarion公司正在設計一种位于微處理器邊上的特殊小型硅鍺芯片，主要用于監控電能需量，在适當時机提供适當的電量。這种硅鍺芯片可能使微處理器的成本增加20美元，但它的運行速度要快20%。該公司的第一款芯片產品可能于年底問世，其運行速度比目前速度最快的處理器還要快4倍左右。
隨著晶體管越來越小，以前的材料越來越不能滿足需要。比如石英砂，它是晶體管中的一种標准成分，其作用有兩個：一是作為晶體管連接金屬線的絕緣材料，二是作為晶體管的電源開關并起電壓緩沖作用。奔騰IV芯片中的石英砂絕緣層目前只有6個原子厚度，使之進一步變薄顯得十分困難。研究人員苦于無法找到一种既能絕緣又能作為電源開關的替代材料，他們只好從另外方向著手：在絕緣材料上增加新材料來作為電源開關，并在晶體管金屬線之間采用新絕緣材料。IBM等公司選取了很多材料進行篩選試驗。關于金屬線的絕緣還有一种比較積極的辦法：金屬線之間不要任何絕緣材料，只需空气絕緣，但這种方法制造出來的芯片可靠性不高。
許多解決方案正在進行之中，但如果芯片巨頭無法找到解決辦法，那么將很難降低未來芯片的成本。
