2002年7月份,曾在幾年前宣布摩爾定律死刑的這一定律的創始人戈登·摩爾接受了記者的采訪。不過,這次他表現得很樂觀,他表示:“芯片上晶體管數量每18個月增加二倍的速度雖然目前呈下降趨勢,但隨著納米技術的發展,未來摩爾定律依然會繼續生效。”看來,摩爾本人也把希望放到了納米技術上。下麵就讓我們來看看納米技術怎樣製造納米芯片。
我們知道目前的計算機芯片是用半導體材料做的。20世紀可以說是半導體的世紀,也可以說是微電子的世紀,微電子技術是指在半導體單晶材料(目前主要是矽單晶)薄片上,利用微米和亞微米精細結構技術,研製由成千上萬個晶體管和電子元件構成的微縮電子電路(稱為芯片),並由不同功能的芯片組裝成各種微電子儀器、儀表和計算機。芯片可以看做是集成電路塊。集成電路塊從小規模向大規模發展的曆程,可以看做是一個不斷向微型化發展的過程。20世紀50年代末發展起來的小規模集成電路,集成度(一個芯片包含的元件數)為10個元件;20世紀60年代發展成中規模集成電路,集成度為1000個元件;20世紀70年代又發展了大規模集成電路,集成度達到10萬個元件;20世紀肋年代更發展了特大規模集成電路,集成度超過100萬個元件。1988年,美國國際商用機器公司(1BM)已研製成功存儲容量達64兆的動態隨機存儲器,集成電路的條寬隻有035微米。目前實驗室研製的新產品為025微米,並向01微米進軍。到2001年已降到01微米,即100納米。這是電子技術史上的第四次重大突破。今天,芯片的集成度已進一步提高到1000萬個元件。集成電路的條寬再縮小,將出現一係列物理效應,從而限製了微電子技術的發展。為了解決這個挑戰,已經提出納米電子學的概念。這一現象說明了:隨著集成電路集成度的提高,芯片中條寬越來越小,因此對製作集成電路的單晶矽材料的質量要求越來越高,哪怕是一粒灰塵也可能毀掉一個甚至幾個晶體管,這也是為什麼摩爾本人幾年前宣判摩爾定律“死刑”的原因。
據有關專家預測,在21世紀,人類將開發出徽處理芯片與活細胞相結合的電腦。這種電腦的核心元件就是納米芯片。芯片是電腦的關鍵器件。生命科學和材料科學的發展,科學家們正在開發生物芯片,包括蛋白質芯片及DNA芯片。
蛋白質芯片,是用蛋白質分子等生物材料,通過特殊的工藝製備成超薄膜組織的積層結構。例如把蛋白質製備成適當濃度的液體,使之在水麵展開成單分子層膜,再將其放在石英層上,以同樣方法再製備——層有機薄膜,即可得到80~480納米厚的生物薄膜。這種薄膜由兩種有機物薄膜組成。當一種薄膜受紫外光照射時,電阻上升約40%左右,而用可見光照射時,又恢複原狀。而另一種薄膜則不受可見光影響,但它受到紫外光照射時,電阻便減少6%左右。據介紹,日本三菱電機公司把兩種生物材料組合在一起,製成了可以光控的新型開關器件。這種薄膜為進一步開發生物電子元件奠定了實驗基礎,並創造了良好的條件。
這種蛋白質芯片,體積小、元件密度高,據測每平方厘米,可達1015~1016個,比矽芯片集成電路高上萬倍,表明這種芯片製成的裝置其運行速度要比目前的集成電路快得多。由於這種芯片是由蛋白質分子組成的,在一定程度上具有自我修複能力,即成為一部活體機器,因此可以直接與生物體結合,如與大腦、神經係統有機地連接起來,可以擴展腦的延伸。有人設想,將蛋白質芯片植入大腦,將會出現奇跡。如視覺先天缺陷或後天損傷可以得到修複,使之重現光明等。