摩爾定律將死 “電子自轉”芝麻開門
摩爾定律已死？
“宛如在白紙上作畫，芯片業正面臨一個全球洗牌的機會。”舊金山時間1月22日，斯坦福大學應用物理學和電機工程系教授張首晟在接受本報記者獨家專訪時，將矛頭直指IT業奉為圭臬的摩爾定律。
英特爾創始人之一戈登·摩爾在上世紀60年代初提出：集成電路上可容納的晶體管數目約每隔18個月便會增加一倍，而性能也將提升一倍。半個世紀以來，這一定律見證了人類信息技術前進的腳步，也養肥了芯片業的巨無霸——英特爾。
2003年，為應對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年將其基于芯片業未來提出的新構想——通過電子的自轉來降低其能耗——在理論上完成了預演。2007年，這一新構想被德國的一個實驗小組通過實驗證明。同年，張首晟的這一發現被評為“全球十大重要科學突破”之一。
作為斯坦福最年輕的正教授，張首晟以其在半導體和超導方面的研究獲得國際公認，并在《科學》、《自然》等期刊上發表論文100多篇。張同時還擔任“IBM-斯坦福自旋電子研究中心”聯席主席，致力于研究下一代先進半導體設備。
“這同時也是中國芯片業唯一一個可超前的機會，政府、科研機構和產業界應積極行動起來。”張首晟說，如果到時還是跟在別人后面、被動購買專利，那么中國在芯片業將幾乎沒有翻身機會。
當“摩爾定律”失效
《21世紀》：摩爾定律被IT業奉為圭臬，全球芯片技術、產業界基本都是在這一固定原理下運行，你基于哪些因素判斷，現在全球芯片業正經歷一個轉型期？
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，但發展到今天，芯片業根本性的瓶頸已經顯露，即如果按摩爾定律的原理，芯片將不可能再按原來速度發展。估計在2015－2020年左右，芯片的升級速率會慢慢停止。對全球來說，這是一個比較危機的時間點。
當然，這也是一個轉機。美國政府很早就看到了這一點，目前已在創新發展方面進行很多投資，美國研究機構在此方面也做了大量布局，希望能在這個重新洗牌期率先找到一個新原理來工作。
《21世紀》：瓶頸由何而生？
張首晟：這一根本性瓶頸是：如果我們仍按原來的原理工作，電腦每做一次運算，芯片每個三極管都要發出一定熱量，而每過18個月三極管上面就要Double一次，這是一個指數增長的概念。指數增長很可怕，雖然一個三極管本身散發熱量不多，但上面放那么多三極管，而芯片大小始終沒有太多改變。
事實上，有關如何降低功耗的問題現在已迫在眉睫，再發展下去，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，但這是一個根本性的問題，每做一次運算，必然就會出現這樣的結果。
所以現在工業界的挑戰或者說科研界的機會就在于，是否能找到一個比較有革新性的構想，使工業界用一個全新原理工作，讓三極管根本不會散出那么多熱量。
《21世紀》：目前美國是否已經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，選擇肯定不會太多，因為能想到的基本都已經想過了，而我們說電子工業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現和知道的電子特性，小革新仍會有，但重大的革命機會已不會太多。
《21世紀》：在這種情況下，如何讓電子工業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，不可能去空想出一個新性質。我們現在所使用的一個新思想是：電子除具有帶電這一基本特性外，它還有另一性質，即它在一邊運動時，同時還在做自轉。這就如地球繞著太陽轉，但地球本身也在自轉。
自轉是電子本身所固有的另一性質，而這一固定性質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、最集中投資的一個方向，即通過電子自旋來做邏輯運算。
“電子自轉”會顛覆什么？
《21世紀》：“電子自旋”怎么做邏輯運算，這一原理的運作方式是怎樣的？
張首晟：在運動過程中，電流本身是比較有規律的，即從左邊到右邊，但在半導體中，電子的運動基本為無序。比如說，假設我們面前的這個桌子是一個芯片，那么當電流要從桌子這一頭傳到另一頭時，就如同我們要走過一個非常雜亂無章的迪斯科舞廳──你（電子）總是會不斷碰撞到別人，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動，即電子是否能有一種更有序的運動形式。如果能找到，就意味我們能更好地控制熱量或根本不會有熱量散出來，因為電子不需經常碰來碰去就不會有很多熱量消耗。
《21世紀》：你從2003年開始就在做這方面的研究，你們發現了什么？
張首晟：到2006年有一個重大突破，即找到了電子的一個運動循環規律。我們發現，電子自轉方向與電流方向實際上有一定規律。這樣的話，相當于運動時大家有一定默契，電子在運動中就不會互相亂碰撞。
這一規律已在實驗上被證實。接下來的一步是希望能向工業化，但整個東西要投入工業大概差不多還需要五年時間，所以這是一個非常緊迫的歷史機遇。
另外一點，規律雖然已被找到，但目前仍須在特殊條件下才能實現：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，兩個基本元素Hg（貢）和Te（碲），它們在自然界也有，但要做得比較好的話需人工合成；而另一個條件就是，溫度相對來說還較低。
《21世紀》：對于產業界而言，這是一種怎樣的機遇？美國工業界，比如一些大公司是否已經行動起來？
張首晟：這是一個全球重新洗牌機會，或者說是在白紙上面畫最新的圖案。這一機遇的重要性可能相當于當年集成電路的發明。人類芯片史上有以下幾個革命：真空管、晶體管和集成電路，但其實從集成電路到現在，一直都沒有一個大的變化。
目前，美國產業界基本上還是在原來模式下做更多進步，但針對這一重新洗牌機會，也已聯合起來共同給大學和科研機構資金。這是美國慣常的一個做法，即由政府和工業界聯合起來支持大學研究機構。
我認為中國半導體工業也一定要有這樣的超前意識，不能整天打價格戰，說我們這里便宜你們就過來。現在看來，這并不是一個很成功的模式。
中國機會
《21世紀》：但目前全球芯片產業格局已基本成型，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。我希望強調的是，這一重新洗牌的機會也是中國芯片業唯一一個可以超前的機會。而往往洗牌的機會都是在規則改變時，如果大家都在循規蹈矩，那將永遠也超越不了。比如說臺灣地區，其在上世紀60－70年代抓住了芯片的設計與代工相脫節的機遇，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。
但我更愿意認為，中國也能在這一最新機遇中找到比較新的機會。除在斯坦福工作，我也經常訪問中國的大學，聯系和合作比較緊密的是清華大學及中科院物理所。我發現他們在這方面跟得很緊，做的實驗也很漂亮。
中國科研人員很聰明，人數也很多。我還發現一個特點，即只要知道了一個努力的基本方向，中國會跟得很快。就電子自旋學來說，中國科研界在尋找更容易生產的材料以及把工作的溫度提得更高兩個方面，已經做了很多。
《21世紀》：中國芯片企業在這方面應該怎樣布局？
張首晟：我想首先要做的事情是：把產業和科研較緊密聯系起來。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，其實這些錢政府也完全可以單獨給，但一旦英特爾投了一點、政府再跟進的話，英特爾就已通過此舉作了一定選擇。這樣一來，科研機構要做下一步發展，比如我們在做很多方案時，英特爾作為股東就會在此時提出非常關鍵性的“反饋”。
《21世紀》：作為科研機構，你們怎么在不同的芯片公司之間進行選擇？
張首晟：英特爾、AMD和IBM等六大公司雖然有競爭關系，但他們的競爭主要是在如何把產品做得更好。他們唯一不想的是：競爭對手有了之后把我摒棄在外。
我們所做的是知識產權方面的戰略，這個知識產權在六個公司之內共享，然后大家可以就誰能把這個東西做得更好展開競爭。這六個公司中，不具備排他性，但中國不在里面。
《21世紀》：如果現在中國的芯片公司想做第“七”個，是否可以？
張首晟：這是一個很好的idea。但這樣的合作在歷史上沒有過，這不是因為有什么限制，主要還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格戰，自然也不可能有遠見來考慮如何讓自己翻身。
這種合作模式對企業而言還有另外一個好處。我們現在在斯坦福做的可能還是一個比較實驗性的工作，但我們的學生畢業后大部分會去公司，因為他們平時做研究時就與公司保持緊密聯系，這樣一旦做成，最后的開花結果可能還是在公司里面。中國在產學研相結合的問題上一定要邁出這一步。
《21世紀》：政府可以在其中起到什么樣的作用？
張首晟：中國政府現在很有錢，完全可以來做這方面的研究和投資，但我認為最好的方式還是要比較有意識地與工業界聯系起來，使后者也成為一個股東，不用承擔太大風險。
我們現在已經有一些知識產權，但一個東西要做成一個行業需要成百上千個專利，中國仍有機會介入。但你如果不做的話，讓美國又把整個領域占領，到時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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