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是什么原因让芯片提速百万倍

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文章出处:骊微电子责任编辑:admin人气:-发表时间:2016-06-17 15:26
    石墨烯技术优点颇多,未来或成芯片主要材料
 
    石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,它的厚度只相当于一个碳原子。可以说,石墨烯是世界上最薄却最坚硬的材料,也是世界上电阻率最小的材料。
 
    由于以上特性,石墨烯成为了一种良好的导体,能够用来制作光板、太阳能电池及透明触控屏幕等具有高科技含量的产品。还能减少噪音,进行电子基因测序等。
 
    此次MIT认为石墨烯可以制造出速率极快的芯片,也是由于石墨烯自身的特性。
 
    MIT的研究人员发现,石墨烯的特性可以使光的速率降低,从而产生密集的光束。由于这种现象和飞机超越音速时产生的“音爆”相似,故而被称为“光爆”。
 
    在光爆过程中,当运动的速度因为快于光而受到局限时,石墨烯中的电子会释放出“等离子体激元”,这一现象能够为超薄计算机设备的光基电路的研制打基础。
 
    众所周知,传统芯片的原材料主要是硅。但是,石墨烯比硅要好用得多。
 
    用硅制造的芯片,结构是单层的,它们之间靠线来连接。这样的芯片在传输数据流大、距离远的数据时,往往会耗费较多的资源,而且时常发生堵塞。
 
    石墨烯则与之不同,它是六角型的、呈蜂巢晶格式的平面薄膜,传导性极佳。因此能够做到快速传输数据,提升芯片速率。
 
    此外,硅基材料芯片的主频与发热量成正比,而主频又是芯片性能重要的衡量标准之一。因此,许多芯片厂商为了控制发热问题都会采取一些降频措施。
 
    目前,硅芯片的最高频率在液氮环境下为8.4GHz,PC处理器的主频为3-4GHz,移动处理器的主频则在2GHz左右。
 
    如果将石墨烯材料运用在芯片制造中,效果则会好得多。
 
    与硅基材料相比,石墨烯的载流子迁移率在室温之下能够达到硅的10倍以上,在实验室环境下则可以达到100倍,同时饱和速度可达硅的5倍。由于石墨烯良好的导热性,理论上能够使芯片主频达到300GHz,并且功耗低于硅基芯片。
 
    对于石墨烯技术作用于芯片的研究,目前至少能够确定两点。
 
    第一,石墨烯原材料相对于硅基材料来说具有更好的特性,无论是速度、功耗还是可缩减性能。石墨烯技术可以被推进到8nm甚至5nm 的技术节点,这恰好是2020年之后的数字电路目标。
 
    第二,石墨烯应用于芯片的方案切实可行。在实验室中,许多研究人员已经研制出了此方面的技术,投入实践也是指日可待。
 
    事实上,石墨烯技术目前也受到了各方的重视。
 
    石墨烯技术受到各方青睐,或改变芯片行业现状
 
    由于石墨烯技术具有诸多优势,众多科技企业已经开始对其进行了芯片应用方面的研发。
 
    IBM一直是硬件领域中的巨头,然而近年来,整个硬件行业的形势下滑,创新成为重点。故而IBM也不断尝试着新技术,以期扭转硬件行业式微带来的不利局面,而创新的重点,就在于石墨烯技术。
 
    IBM的主要计划是提升芯片性能并缩减其尺寸,从而提升芯片效率。对于恰好能满足这些要求的石墨烯技术,IBM投资了30亿美元,尝试对芯片进行革新,实现硬件业务的复苏。
 
    The Envisioneering Group的研究主管Richard Doherty认为,许多流过硅芯片的电力都转化成了热量,所以硅芯片的速度很难再有上升的空间。IBM方面则表示,石墨烯材料中的电子迁移速度是硅材料的10倍。未来,他们会针对这一领域进行更多的研究。
 
    此外,华为也在英国进行了石墨烯的投资。作为国产手机厂商中为数不多的拥有自己芯片的企业,石墨烯技术必将成为其重点研发的对象。对此,华为高级副总裁陈黎芳表示:“我们在石墨烯领域的合作,将为未来信息通信行业发展、构建更美好的全联接世界,提供至关重要的基础性支撑。”
 
    在我国,石墨烯技术也同样受到了重视。
 
    几个月之前,发改委、工信部和科技部三部委印发了《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》,旨在引导石墨烯产业的创新、培育石墨烯行业进一步壮大,最终带动材料产业的革新。
 
    我国之所以如此重视石墨烯技术,是因为其极高的载流子速度、有限的散射、优异的等比缩小特性,使其成为电子器件和集成电路的首选材料。除了芯片行业之外,石墨烯技术还能够在光纤通信、传感器制造、5G通信等重要领域中得以应用。
 
    不过,石墨烯技术也存在着一些局限性。
 
    第一,石墨烯的成本极高。
 
    石墨烯的最高价格达到了5000元/克,在业内有“黑金”之称。因此,一般的企业在资金方面无法进行研发,这也是为何石墨烯技术的玩家基本上都是三星、IBM、英特尔等巨头的重要原因。
 
    第二,石墨烯技术存在局限性。
 
    石墨烯的生长是有严格的控制条件的,必须在绝缘衬底上定位,才能生长出所需管径大小的半导体石墨烯。但是对石墨烯的生长进行严格控制的条件目前尚无法实现。
 
    第三,无法实现大规模应用。
 
    由于成本极高和技术上的局限性,石墨烯的生产仍处于实验研究阶段,并未在商业用途方面实现大规模量产。与之相比,硅基材料在成本和稳定性方面仍存在优势。
 
    其实,将二者结合也是一个不错的选择。此前,哥伦比亚大学曾研发出一款石墨烯-硅光电混合芯片。应用物理学教授Philip Kim认为,这两种材料的结合具备了超快的非线性光学调制性能,这将为芯片、集成电路、高速光通信等领域打开新的大门。
 
    随着移动端的发展,PC端逐渐没落。如果能够开发出速度更快的芯片,将使更快的计算能力变为现实。这不仅能够推动芯片行业的进步,还能够推动人工智能和认知计算的发展。尽管目前石墨烯技术仍存在短板,但是在未来,这项技术或许会为芯片及相关行业带来一场革命性的改变。
 
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