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超越摩尔（120701）精选

已有 8062 次阅读 2012-7-1 09:48 |个人分类:微电子|系统分类:科研笔记| 摩尔定律, 超越, 生物细胞

超越摩尔（120701）

闵应骅

一二十年之后，CMOS技术不会再局限于特征尺寸和工作电压的降低，而是用不同的状态变量代替传统的电荷，如国际半导体技术进展蓝图（参见下图Fig.10）指出的那样，在不同层次都会有变化。许多不同的材料可以代替硅，因而可以产生不同的装置来代替CMOS。在数据表示层，图像、量子态、模拟量都可以表示信息，并不一定是数字才能表示信息。这将引起体系结构层的革命，不一定再是亨.诺依曼结构，多核体系。对于CMOS开关，最小尺寸、开关时间、开关所需的能量是主要关心的参数。但是，随着状态变量的改变，通信机制就会改变，信息载体的数量成为主要因素，也使系统复杂性改变了，而决定于装置的数量，以及二进制信息吞吐量。从而使系统能力得到提升，其衡量指标仍然是每秒执行的指令数。

新的装置已有不少，譬如用新材料的FET，以三五族(III-V)量子点为基础的元件，锗通道和纳米线FET，用固体电子束静电控制的机械位移在两个电极之间创造一个通路可以做成MEM/NEM开关，不会像MOSFET一样有漏电流。过去的世纪可以说是硅世纪，而新世纪可能是碳世纪。石墨烯是一种二维碳原子六边形网格，有独特的电子、电气、光电和机械特性，可以作为晶体管、传感器、电极和激光材料。CNTFET（Carbon Nano Tube Field Effect Transistor）有许多优越性。忆阻器以及所谓原子开关都是有希望的存储元件。分子电子学现在受到重视，就是要用一个导电分子代替硅纳结构，做成存储器、二极管或开关。磁元件把计算和存储能力结合起来，是有可能实现的。基于这些新装置和元件，新的体系结构需要研究，虽然现在好像是还为时尚早。但现在已经可以看到的是：细胞自动机体系结构是一种最佳邻居通信的方式。神经网络的方式企图模仿人脑结构，与亨.诺依曼结构不同，也许对一类特定的问题会有其优越性。研究表明，形成交叉阵列的忆阻器可以模仿神经的形态。

生物计算是超越摩尔定律的。我们知道，基于电荷的CMOS信息技术，当特征尺寸达到几个纳米时，碰到了一大堆不好解决的问题。而活着的细胞可以看作是一个信息处理器，非常有效，而且可以自繁殖。大肠杆菌细胞（E.coli Cell）与同样大小的CMOS相比，有研究表明，单个的活着细胞，譬如细菌，具有图灵机的特性，能够进行通用计算，是亨.诺依曼意义下的通用建造者。它生产它自己的复制品，成了一个产生计算机的计算机。

拿一个生物微米大小的细胞(Bio-μCell)和一个同样大小的硅细胞(Si-μCell)来做比较，如下图所示，其性能都比硅技术要高。该文做了详细的定量的比较。

对于这篇长30页，附182篇参考文献的论文，本人已经用5篇博文做了简单的介绍。该文的许多内容已经超出本人的知识范围，只能简单介绍，何况在博客里也不能谈得太详细。相信各领域的专家能做更深入的解读，对我们科研立项和科研工作会有参考价值。今把该文作为附件，供有兴趣的读者阅读。