摩爾定律已死？
“宛如在白紙上作畫，芯片業(yè)正面臨一個(gè)全球洗牌的機(jī)會(huì)。”舊金山時(shí)間1月22日，斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)和電機(jī)工程系教授張首晟在接受本報(bào)記者獨(dú)家專訪時(shí)，將矛頭直指IT業(yè)奉為圭臬的摩爾定律。
英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾在上世紀(jì)60年代初提出：集成電路上可容納的晶體管數(shù)目約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，而性能也將提升一倍。半個(gè)世紀(jì)以來，這一定律見證了人類信息技術(shù)前進(jìn)的腳步，也養(yǎng)肥了芯片業(yè)的巨無霸——英特爾。
2003年，為應(yīng)對(duì)摩爾定律即將失效的問題，張首晟等在2003年組建了“IBM-斯坦福自旋電子研究中心”，并于2006年將其基于芯片業(yè)未來提出的新構(gòu)想——通過電子的自轉(zhuǎn)來降低其能耗——在理論上完成了預(yù)演。2007年，這一新構(gòu)想被德國的一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組通過實(shí)驗(yàn)證明。同年，張首晟的這一發(fā)現(xiàn)被評(píng)為“全球十大重要科學(xué)突破”之一。
作為斯坦福最年輕的正教授，張首晟以其在半導(dǎo)體和超導(dǎo)方面的研究獲得國際公認(rèn)，并在《科學(xué)》、《自然》等期刊上發(fā)表論文100多篇。張同時(shí)還擔(dān)任“IBM-斯坦福自旋電子研究中心”聯(lián)席主席，致力于研究下一代先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)備。
“這同時(shí)也是中國芯片業(yè)唯一一個(gè)可超前的機(jī)會(huì)，政府、科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界應(yīng)積極行動(dòng)起來。”張首晟說，如果到時(shí)還是跟在別人后面、被動(dòng)購買專利，那么中國在芯片業(yè)將幾乎沒有翻身機(jī)會(huì)。
當(dāng)“摩爾定律”失效
《21世紀(jì)》：摩爾定律被IT業(yè)奉為圭臬，全球芯片技術(shù)、產(chǎn)業(yè)界基本都是在這一固定原理下運(yùn)行，你基于哪些因素判斷，現(xiàn)在全球芯片業(yè)正經(jīng)歷一個(gè)轉(zhuǎn)型期？
張首晟：在過去差不多六十多年中，摩爾定律不斷解決了很多問題，但發(fā)展到今天，芯片業(yè)根本性的瓶頸已經(jīng)顯露，即如果按摩爾定律的原理，芯片將不可能再按原來速度發(fā)展。估計(jì)在2015－2020年左右，芯片的升級(jí)速率會(huì)慢慢停止。對(duì)全球來說，這是一個(gè)比較危機(jī)的時(shí)間點(diǎn)。
當(dāng)然，這也是一個(gè)轉(zhuǎn)機(jī)。美國政府很早就看到了這一點(diǎn)，目前已在創(chuàng)新發(fā)展方面進(jìn)行很多投資，美國研究機(jī)構(gòu)在此方面也做了大量布局，希望能在這個(gè)重新洗牌期率先找到一個(gè)新原理來工作。
《21世紀(jì)》：瓶頸由何而生？
張首晟：這一根本性瓶頸是：如果我們?nèi)园丛瓉淼脑砉ぷ鳎娔X每做一次運(yùn)算，芯片每個(gè)三極管都要發(fā)出一定熱量，而每過18個(gè)月三極管上面就要Double一次，這是一個(gè)指數(shù)增長的概念。指數(shù)增長很可怕，雖然一個(gè)三極管本身散發(fā)熱量不多，但上面放那么多三極管，而芯片大小始終沒有太多改變。
事實(shí)上，有關(guān)如何降低功耗的問題現(xiàn)在已迫在眉睫，再發(fā)展下去，芯片將無法正常工作。為此，工程師已想盡幾乎一切解決辦法，但這是一個(gè)根本性的問題，每做一次運(yùn)算，必然就會(huì)出現(xiàn)這樣的結(jié)果。
所以現(xiàn)在工業(yè)界的挑戰(zhàn)或者說科研界的機(jī)會(huì)就在于，是否能找到一個(gè)比較有革新性的構(gòu)想，使工業(yè)界用一個(gè)全新原理工作，讓三極管根本不會(huì)散出那么多熱量。
《21世紀(jì)》：目前美國是否已經(jīng)找到根本性的解決方案，可能的方向是在哪里？
張首晟：如果要真正從根本上解決這一問題，選擇肯定不會(huì)太多，因?yàn)槟芟氲降幕径家呀?jīng)想過了，而我們說電子工業(yè)最終還必須建立在電子上。通常來說，我們是通過電子所在的電流來做集成電路，而基于我們以往所發(fā)現(xiàn)和知道的電子特性，小革新仍會(huì)有，但重大的革命機(jī)會(huì)已不會(huì)太多。
《21世紀(jì)》：在這種情況下，如何讓電子工業(yè)最終仍建立在電子上？
張首晟：必須注意電子仍是電子，它就是這些性質(zhì)，不可能去空想出一個(gè)新性質(zhì)。我們現(xiàn)在所使用的一個(gè)新思想是：電子除具有帶電這一基本特性外，它還有另一性質(zhì)，即它在一邊運(yùn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)還在做自轉(zhuǎn)。這就如地球繞著太陽轉(zhuǎn)，但地球本身也在自轉(zhuǎn)。
自轉(zhuǎn)是電子本身所固有的另一性質(zhì)，而這一固定性質(zhì)可以用來作為研究的原理和新方向。這可能也是目前大家最熱、最集中投資的一個(gè)方向，即通過電子自旋來做邏輯運(yùn)算。
“電子自轉(zhuǎn)”會(huì)顛覆什么？
《21世紀(jì)》：“電子自旋”怎么做邏輯運(yùn)算，這一原理的運(yùn)作方式是怎樣的？
張首晟：在運(yùn)動(dòng)過程中，電流本身是比較有規(guī)律的，即從左邊到右邊，但在半導(dǎo)體中，電子的運(yùn)動(dòng)基本為無序。比如說，假設(shè)我們面前的這個(gè)桌子是一個(gè)芯片，那么當(dāng)電流要從桌子這一頭傳到另一頭時(shí)，就如同我們要走過一個(gè)非常雜亂無章的迪斯科舞廳──你（電子）總是會(huì)不斷碰撞到別人，由此，你（電子）本身具備的能量也在這一過程中被消耗。
所以我們一直在思考，大自然是否可能存在一種比較漂亮的跳舞方式讓電子在里面運(yùn)動(dòng)，即電子是否能有一種更有序的運(yùn)動(dòng)形式。如果能找到，就意味我們能更好地控制熱量或根本不會(huì)有熱量散出來，因?yàn)殡娮硬恍杞?jīng)常碰來碰去就不會(huì)有很多熱量消耗。
《21世紀(jì)》：你從2003年開始就在做這方面的研究，你們發(fā)現(xiàn)了什么？
張首晟：到2006年有一個(gè)重大突破，即找到了電子的一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)規(guī)律。我們發(fā)現(xiàn)，電子自轉(zhuǎn)方向與電流方向?qū)嶋H上有一定規(guī)律。這樣的話，相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)時(shí)大家有一定默契，電子在運(yùn)動(dòng)中就不會(huì)互相亂碰撞。
這一規(guī)律已在實(shí)驗(yàn)上被證實(shí)。接下來的一步是希望能向工業(yè)化，但整個(gè)東西要投入工業(yè)大概差不多還需要五年時(shí)間，所以這是一個(gè)非常緊迫的歷史機(jī)遇。
另外一點(diǎn)，規(guī)律雖然已被找到，但目前仍須在特殊條件下才能實(shí)現(xiàn)：首先它的材料不是硅，是另外一種材料，我們所找到的還比較特殊，兩個(gè)基本元素Hg（貢）和Te（碲），它們?cè)谧匀唤缫灿校龅帽容^好的話需人工合成；而另一個(gè)條件就是，溫度相對(duì)來說還較低。
《21世紀(jì)》：對(duì)于產(chǎn)業(yè)界而言，這是一種怎樣的機(jī)遇？美國工業(yè)界，比如一些大公司是否已經(jīng)行動(dòng)起來？
張首晟：這是一個(gè)全球重新洗牌機(jī)會(huì)，或者說是在白紙上面畫最新的圖案。這一機(jī)遇的重要性可能相當(dāng)于當(dāng)年集成電路的發(fā)明。人類芯片史上有以下幾個(gè)革命：真空管、晶體管和集成電路，但其實(shí)從集成電路到現(xiàn)在，一直都沒有一個(gè)大的變化。
目前，美國產(chǎn)業(yè)界基本上還是在原來模式下做更多進(jìn)步，但針對(duì)這一重新洗牌機(jī)會(huì)，也已聯(lián)合起來共同給大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)資金。這是美國慣常的一個(gè)做法，即由政府和工業(yè)界聯(lián)合起來支持大學(xué)研究機(jī)構(gòu)。
我認(rèn)為中國半導(dǎo)體工業(yè)也一定要有這樣的超前意識(shí)，不能整天打價(jià)格戰(zhàn)，說我們這里便宜你們就過來。現(xiàn)在看來，這并不是一個(gè)很成功的模式。
中國機(jī)會(huì)
《21世紀(jì)》：但目前全球芯片產(chǎn)業(yè)格局已基本成型，中國還能在這一新方向上有所作為嗎？
張首晟：我們今天談的更多是非常前端的創(chuàng)新，在這方面雖然中國一直非常注重，但總的來說并不成功。我希望強(qiáng)調(diào)的是，這一重新洗牌的機(jī)會(huì)也是中國芯片業(yè)唯一一個(gè)可以超前的機(jī)會(huì)。而往往洗牌的機(jī)會(huì)都是在規(guī)則改變時(shí)，如果大家都在循規(guī)蹈矩，那將永遠(yuǎn)也超越不了。比如說臺(tái)灣地區(qū)，其在上世紀(jì)60－70年代抓住了芯片的設(shè)計(jì)與代工相脫節(jié)的機(jī)遇，賺了很多錢。中國大陸這么多年來，基本上是在用政府的良好政策和較低的人工成本來拷貝這一模式。
但我更愿意認(rèn)為，中國也能在這一最新機(jī)遇中找到比較新的機(jī)會(huì)。除在斯坦福工作，我也經(jīng)常訪問中國的大學(xué)，聯(lián)系和合作比較緊密的是清華大學(xué)及中科院物理所。我發(fā)現(xiàn)他們?cè)谶@方面跟得很緊，做的實(shí)驗(yàn)也很漂亮。
中國科研人員很聰明，人數(shù)也很多。我還發(fā)現(xiàn)一個(gè)特點(diǎn)，即只要知道了一個(gè)努力的基本方向，中國會(huì)跟得很快。就電子自旋學(xué)來說，中國科研界在尋找更容易生產(chǎn)的材料以及把工作的溫度提得更高兩個(gè)方面，已經(jīng)做了很多。
《21世紀(jì)》：中國芯片企業(yè)在這方面應(yīng)該怎樣布局？
張首晟：我想首先要做的事情是：把產(chǎn)業(yè)和科研較緊密聯(lián)系起來。在這方面，美國一直做得比較好。比如說上述的研究項(xiàng)目，英特爾在其中有很多投資。
但這一投資不單是給一些錢，其實(shí)這些錢政府也完全可以單獨(dú)給，但一旦英特爾投了一點(diǎn)、政府再跟進(jìn)的話，英特爾就已通過此舉作了一定選擇。這樣一來，科研機(jī)構(gòu)要做下一步發(fā)展，比如我們?cè)谧龊芏喾桨笗r(shí)，英特爾作為股東就會(huì)在此時(shí)提出非常關(guān)鍵性的“反饋”。
《21世紀(jì)》：作為科研機(jī)構(gòu)，你們?cè)趺丛诓煌男酒局g進(jìn)行選擇？
張首晟：英特爾、AMD和IBM等六大公司雖然有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，但他們的競(jìng)爭(zhēng)主要是在如何把產(chǎn)品做得更好。他們唯一不想的是：競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手有了之后把我摒棄在外。
我們所做的是知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面的戰(zhàn)略，這個(gè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)在六個(gè)公司之內(nèi)共享，然后大家可以就誰能把這個(gè)東西做得更好展開競(jìng)爭(zhēng)。這六個(gè)公司中，不具備排他性，但中國不在里面。
《21世紀(jì)》：如果現(xiàn)在中國的芯片公司想做第“七”個(gè)，是否可以？
張首晟：這是一個(gè)很好的idea。但這樣的合作在歷史上沒有過，這不是因?yàn)橛惺裁聪拗疲饕�是公司自身做得不夠好。
還有一層原因是，如果公司整天都忙于打價(jià)格戰(zhàn)，自然也不可能有遠(yuǎn)見來考慮如何讓自己翻身。
這種合作模式對(duì)企業(yè)而言還有另外一個(gè)好處。我們現(xiàn)在在斯坦福做的可能還是一個(gè)比較實(shí)驗(yàn)性的工作，但我們的學(xué)生畢業(yè)后大部分會(huì)去公司，因?yàn)樗麄兤綍r(shí)做研究時(shí)就與公司保持緊密聯(lián)系，這樣一旦做成，最后的開花結(jié)果可能還是在公司里面。中國在產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的問題上一定要邁出這一步。
《21世紀(jì)》：政府可以在其中起到什么樣的作用？
張首晟：中國政府現(xiàn)在很有錢，完全可以來做這方面的研究和投資，但我認(rèn)為最好的方式還是要比較有意識(shí)地與工業(yè)界聯(lián)系起來，使后者也成為一個(gè)股東，不用承擔(dān)太大風(fēng)險(xiǎn)。
我們現(xiàn)在已經(jīng)有一些知識(shí)產(chǎn)權(quán)，但一個(gè)東西要做成一個(gè)行業(yè)需要成百上千個(gè)專利，中國仍有機(jī)會(huì)介入。但你如果不做的話，讓美國又把整個(gè)領(lǐng)域占領(lǐng)，到時(shí)候中國將又碰到同樣的問題——跟在后面、花很多錢去買專利。
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