【大纪元3月31日讯】摩尔定律﹐半导体行业的金科玉律﹐在经过了几十年后﹐将于到巨大的挑战。那就是﹐随着半导体器件尺寸的不断的缩小﹐电路不断加速﹐其必将在运行中散发巨大的热量。据称，如果不采取新的设计思路，到了2004年，我们足可以“用芯片来煮鸡蛋”。散热，逐渐成为微处理器设计中的一个瓶颈。未来10年，摩尔定律还能起作用么？
1999年，威廉.珀尔曼（William Pohlman）的退休宴会刚刚开始，珀尔曼以前的两个同事就把他拉在一旁，希望借他一臂之力，建立一个主要从事微处理器能耗需量控制的芯片公司，即Primarion公司。珀尔曼在英特尔公司工作了20年，退休前担任英特尔微处理器集团的技术副总裁，他说：“我很了解未来芯片技术的发展趋势以及所面临的技术难题。”
时隔两年，英特尔竟然把4200万个晶体管装在了一个面积仅217平方毫米的硅片上，其奔腾IV处理器的运行速度达到了1.5千兆赫，也就是说，每秒运算15亿次。芯片的密度和速度达到了目前这个程度，导致芯片温度之高甚至可以把水烧沸。巨大的热量很容易造成芯片故障。同时，构成这种芯片的材料正接近它的物理极限。现任亚利桑那州Primarion公司主席的珀尔曼说：“我们已经达到了极限。”
摩尔定律失效了？
芯片技术确实取得了一个了不起的进步。但是，如果不采取措施改变芯片的设计思路，到2004年，功能最强大的微处理器的耗电量将超过1千瓦，“到那时简直可以用芯片来煮鸡蛋。”前四年推出的两代芯片都有可能出现这些问题。鉴于建造一个新的半导体工厂将耗时2年并耗资15亿美元，所以芯片制造商把希望寄托在研究人员能够及时找到解决问题的办法。英特尔公司的首席技术官Gelsinger说：“我们的目标是证明‘摩尔定律’在下一个10年是正确的”。所谓摩尔定律是指每隔24个月，芯片技术的发展将使每个芯片上的晶体管数量增加1倍。
然而，实现摩尔定律必须要改进芯片的设计和组成材料。Gelsinger在最近举行的一次行业研讨会上指出，散热技术是芯片行业目前最大的难题之一。晶体管的开/关切换需要一定能量。由于晶体管收缩，使晶体管无法完全断开，从而造成长时间漏电，这样一来就会产生电流，电流又造成发热。如果不采取冷却措施，芯片的温度可以高达105度。然而，散热要花费昂贵的代价，即使采用最简单的散热片（由吸热材料构成），也会使600美元的芯片成本增加16美元。如果利用水来散热，效果更好，但其成本更是散热片的2倍。况且，电脑制造商不愿意在机箱里增加散热设备来挤占空间。
新的解决办法
新的冷却技术已开始出现。2月底，加洲圣地亚哥的Incep技术公司推出了一种微处理器包装技术，它其实是一个可以调节芯片和散热片能量的逻辑电路板。Incep技术公司的总裁宣称，虽然这种“包装”的单价为200美元，但它既冷却了芯片，又节约了机箱内部的空间。
位于科罗拉多州从事特殊材料和化学材料生产的Isonics公司提出采用新的芯片材料—-硅28。硅28的散热效果优于普通硅，遗憾的是，硅28的散热效果虽然好，但改用这种材料将使芯片成本至少增加25%。Isonics公司的CEO James Alexander说，他要找到一个忠诚的合作伙伴才能开始制造第一块新材料芯片。他同时指出，另外有几家公司也在对这种材料进行试验。
然而，最好的办法是治本，尽量减少发热。英特尔的Gelsinger正在开发几种技术来提高芯片的运行效率，比如在芯片上多增加几个高速缓冲存储器以减少微处理器的工作量、使两个微处理器享用一个高速缓冲存储器以进一步减少单个微处理器的工作量、在芯片上指定一个特别分区来处理普通任务也有助于提高芯片效率，等等。
此外，英特尔和AMD公司都在致力于通过软件技术，根据芯片的处理任务以最经济的方式提供电能。AMD公司（位于加州桑尼维尔）的工程设计副总裁Frederick Weber指出：“用户要求芯片同时间达到最佳性能的机会很小。”但是，根据任务的繁重情况，芯片的运行速度可以在300兆赫-1500兆赫之间进行调节。
加州的Transmeta公司采取了一种截然不同的方式，她不是机械性地降低处理器的运行速度，而是采用软件来代替晶体管工作。Transmeta的这项技术称作”无形代码”(Code Morphing)，它把传送给芯片的指令进行转换，使转换后的指令更加有效地得到处理。该公司的“克鲁索”（Crusoe）芯片就采用了这种技术，芯片中共使用了大约100万个逻辑元件（如晶体管），“克鲁索”芯片已经运用在索尼和日立的笔记本电脑上。正如该公司的创始人宣称，他们的目标不是在兆赫这个级别上与别人竞赛运行速度。
耗电难题是导致珀尔曼退休的原因之一。芯片以千兆赫速度运行需要消耗巨大的能量，设计者必须降低晶体管电压，以避免烧坏电子元件。但是，一旦电压低，芯片的脉冲信号随之减弱，可能造成信号丢失。同时，如果电压低于1伏，可能导致电子元件因电压不足无法开启，晶体管会从临近的元件“盗取”电能，造成芯片电压的微升。珀尔曼认为，只要巧妙地控制电压就可以使问题迎刃而解。目前，Primarion公司正在设计一种位于微处理器边上的特殊小型硅锗芯片，主要用于监控电能需量，在适当时机提供适当的电量。这种硅锗芯片可能使微处理器的成本增加20美元，但它的运行速度要快20%。该公司的第一款芯片产品可能于年底问世，其运行速度比目前速度最快的处理器还要快4倍左右。
随着晶体管越来越小，以前的材料越来越不能满足需要。比如石英砂，它是晶体管中的一种标准成分，其作用有两个：一是作为晶体管连接金属线的绝缘材料，二是作为晶体管的电源开关并起电压缓冲作用。奔腾IV芯片中的石英砂绝缘层目前只有6个原子厚度，使之进一步变薄显得十分困难。研究人员苦于无法找到一种既能绝缘又能作为电源开关的替代材料，他们只好从另外方向着手：在绝缘材料上增加新材料来作为电源开关，并在晶体管金属线之间采用新绝缘材料。IBM等公司选取了很多材料进行筛选试验。关于金属线的绝缘还有一种比较积极的办法：金属线之间不要任何绝缘材料，只需空气绝缘，但这种方法制造出来的芯片可靠性不高。
许多解决方案正在进行之中，但如果芯片巨头无法找到解决办法，那么将很难降低未来芯片的成本。
