杨琳桦
摩尔定律将死 “电子自转”芝麻开门
摩尔定律已死？
“宛如在白纸上作画，芯片业正面临一个全球洗牌的机会。”旧金山时间1月22日，斯坦福大学应用物理学和电机工程系教授张首晟在接受本报记者独 家专访时，将矛头直指IT业奉为圭臬的摩尔定律。
英特尔创始人之一戈登·摩尔在上世纪60年代初提出：集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍，而性能也将提升一倍。半个世纪 以来，这一定律见证了人类信息技术前进的脚步，也养肥了芯片业的巨无霸——英特尔。
2003年，为应对摩尔定律即将失效的问题，张首晟等在2003年组建了“IBM-斯坦福自旋电子研究中心”，并于2006年将其基于芯片业未 来提出的新构想——通过电子的自转来降低其能耗——在理论上完成了预演。2007年，这一新构想被德国的一个实验小组通过实验证明。同年，张首晟的这一发 现被评为“全球十大重要科学突破”之一。
作为斯坦福最年轻的正教授，张首晟以其在半导体和超导方面的研究获得国际公认，并在《科学》、《自然》等期刊上发表论文100多篇。张同时还担 任“IBM-斯坦福自旋电子研究中心”联席主席，致力于研究下一代先进半导体设备。
“这同时也是中国芯片业唯一一个可超前的机会，政府、科研机构和产业界应积极行动起来。”张首晟说，如果到时还是跟在别人后面、被动购买专利， 那么中国在芯片业将几乎没有翻身机会。
当“摩尔定律”失效
《21世纪》：摩尔定律被IT业奉为圭臬，全球芯片技术、产业界基本都是在这一固定原理下运行，你基于哪些因素判断，现在全球芯片业正经历一个 转型期？
张首晟：在过去差不多六十多年中，摩尔定律不断解决了很多问题，但发展到今天，芯片业根本性的瓶颈已经显露，即如果按摩尔定律的原理，芯片将不 可能再按原来速度发展。估计在2015－2020年左右，芯片的升级速率会慢慢停止。对全球来说，这是一个比较危机的时间点。
当然，这也是一个转机。美国政府很早就看到了这一点，目前已在创新发展方面进行很多投资，美国研究机构在此方面也做了大量布局，希望能在这个重 新洗牌期率先找到一个新原理来工作。
《21世纪》：瓶颈由何而生？
张首晟：这一根本性瓶颈是：如果我们仍按原来的原理工作，电脑每做一次运算，芯片每个三极管都要发出一定热量，而每过18个月三极管上面就要 Double一次，这是一个指数增长的概念。指数增长很可怕，虽然一个三极管本身散发热量不多，但上面放那么多三极管，而芯片大小始终没有太多改变。
事实上，有关如何降低功耗的问题现在已迫在眉睫，再发展下去，芯片将无法正常工作。为此，工程师已想尽几乎一切解决办法，但这是一个根本性的问 题，每做一次运算，必然就会出现这样的结果。
所以现在工业界的挑战或者说科研界的机会就在于，是否能找到一个比较有革新性的构想，使工业界用一个全新原理工作，让三极管根本不会散出那么多 热量。
《21世纪》：目前美国是否已经找到根本性的解决方案，可能的方向是在哪里？
张首晟：如果要真正从根本上解决这一问题，选择肯定不会太多，因为能想到的基本都已经想过了，而我们说电子工业最终还必须建立在电子上。通常来 说，我们是通过电子所在的电流来做集成电路，而基于我们以往所发现和知道的电子特性，小革新仍会有，但重大的革命机会已不会太多。
《21世纪》：在这种情况下，如何让电子工业最终仍建立在电子上？
张首晟：必须注意电子仍是电子，它就是这些性质，不可能去空想出一个新性质。我们现在所使用的一个新思想是：电子除具有带电这一基本特性外，它 还有另一性质，即它在一边运动时，同时还在做自转。这就如地球绕着太阳转，但地球本身也在自转。
自转是电子本身所固有的另一性质，而这一固定性质可以用来作为研究的原理和新方向。这可能也是目前大家最热、最集中投资的一个方向，即通过电子 自旋来做逻辑运算。
“电子自转”会颠覆什么？
《21世纪》：“电子自旋”怎么做逻辑运算，这一原理的运作方式是怎样的？
张首晟：在运动过程中，电流本身是比较有规律的，即从左边到右边，但在半导体中，电子的运动基本为无序。比如说，假设我们面前的这个桌子是一个 芯片，那么当电流要从桌子这一头传到另一头时，就如同我们要走过一个非常杂乱无章的迪斯科舞厅──你(电子)总是会不断碰撞到别人，由此，你(电子)本身 具备的能量也在这一过程中被消耗。
所以我们一直在思考，大自然是否可能存在一种比较漂亮的跳舞方式让电子在里面运动，即电子是否能有一种更有序的运动形式。如果能找到，就意味我 们能更好地控制热量或根本不会有热量散出来，因为电子不需经常碰来碰去就不会有很多热量消耗。
《21世纪》：你从2003年开始就在做这方面的研究，你们发现了什么？
张首晟：到2006年有一个重大突破，即找到了电子的一个运动循环规律。我们发现，电子自转方向与电流方向实际上有一定规律。这样的话，相当于 运动时大家有一定默契，电子在运动中就不会互相乱碰撞。
这一规律已在实验上被证实。接下来的一步是希望能向工业化，但整个东西要投入工业大概差不多还需要五年时间，所以这是一个非常紧迫的历史机遇。
另外一点，规律虽然已被找到，但目前仍须在特殊条件下才能实现：首先它的材料不是硅，是另外一种材料，我们所找到的还比较特殊，两个基本元素 Hg(贡)和Te(碲)，它们在自然界也有，但要做得比较好的话需人工合成；而另一个条件就是，温度相对来说还较低。
《21世纪》：对于产业界而言，这是一种怎样的机遇？美国工业界，比如一些大公司是否已经行动起来？
张首晟：这是一个全球重新洗牌机会，或者说是在白纸上面画最新的图案。这一机遇的重要性可能相当于当年集成电路的发明。人类芯片史上有以下几个 革命：真空管、晶体管和集成电路，但其实从集成电路到现在，一直都没有一个大的变化。
