美國為超越摩爾定律部署新計劃
近日，美國國家科學(xué)基金會計劃啟動一個名為超越摩爾定律的科學(xué)與工程(Science and Engineering Beyond Moore’s Law，SEBML)項目。據(jù)悉，該項目將用于資助那些可以取代當(dāng)前硅技術(shù)的研究。

    摩爾定律是由英特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾1965年提出的。他指出芯片上可以容納的晶體管數(shù)量每隔18個月會翻一番，相應(yīng)的計算能力也隨之翻番。不過，NSF指出，基于現(xiàn)有的硅技術(shù)，摩爾定律將在今后10到20年中達到物理和概念上的極限，打破摩爾定律要求全新的科學(xué)、工程和概念框架。

    SEBML是一項與納米科技、計算科學(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)緊密相關(guān)的多學(xué)科研究項目。它基于NSF過去對這些領(lǐng)域的投資，同時又為這些學(xué)科注入了新的動力、方向和挑戰(zhàn)。

    SEBML的目標(biāo)是支持可以改進或取代現(xiàn)有晶體管技術(shù)的研究，打破現(xiàn)有技術(shù)極限，保持美國在通信和計算領(lǐng)域的前沿地位。具體支持的方向包括碳納米管、量子計算以及大規(guī)模多核計算機等。

尋找新結(jié)構(gòu)

    NSF計算與通信學(xué)部主任Michael Foster認(rèn)為，美國過去20年中的經(jīng)濟、社會進步都依賴于不斷提高的信息處理和計算能力，而在不久的將來，這種能力可能會受到現(xiàn)有硅技術(shù)發(fā)展的限制。一旦技術(shù)基礎(chǔ)走到盡頭，“我們就必須找到其他方法替代它，否則只能停止前進"。

    通常，提高晶體管性能的方法是減小分隔晶體管各部分的柵氧化層或絕緣體的厚度。而在不遠的將來——8到10年內(nèi)，柵氧化層的厚度將被減小到能作為有效絕緣體的極限。

    Foster表示，一旦達到這個極限，人們就必須尋找可替代或改進的方法，而目前還沒有任何其他可以提高晶體管性能的可行方法。“這就是為什么我們必須研究如基于納米結(jié)構(gòu)的晶體管這樣真正的全新結(jié)構(gòu)。"Foster說。

下一代技術(shù)

    晶體管性能與其大小相關(guān)——晶體管越小，性能越好。碳納米管技術(shù)能用于更小的晶體管。Foster說：“碳納米管使得我們可以比目前小得多的晶體管。"

    碳納米管還可以用于連接電路。這要求電路具有容錯能力，對芯片結(jié)構(gòu)的研究提出了新的要求。Foster表示，芯片結(jié)構(gòu)將成為“超越摩爾定律"的重要組成部分。

    量子計算可以提供大規(guī)模計算能力。量子計算利用物質(zhì)——原子和分子——以超級計算的速度處理海量任務(wù)。離子是量子計算機中量子位(qubits)應(yīng)用的理想選擇。Foster說：“我們現(xiàn)在可以在非常低的溫度下捕獲單個離子，并把它們用作量子位，但實際應(yīng)用中可能需要滿滿一屋子的設(shè)備。這方面顯然還有很大的上升空間，很有前景。"

    并行性是量子計算的一大特點，因此量子計算的發(fā)展需要并行編程技術(shù)的提高。而人們從上世紀(jì)70年代就開始研究并行計算，但進展緩慢。

現(xiàn)有研究

    “在不必擴展單個計算機計算能力的情況下人類可以繼續(xù)提升IT的能力，但我們需要進行軟件研究來了解如何協(xié)調(diào)不只是一兩臺計算機，而是成千成百萬臺計算機的計算能力。"Foster說，這就提出一個問題——經(jīng)過幾十年的努力，科學(xué)家何時才能*掌握并行編程技術(shù)？

    目前，NSF已經(jīng)在進行納米技術(shù)、軟件和芯片結(jié)構(gòu)方面的研究，這些研究將為開發(fā)超越摩爾定律計算能力的芯片作出貢獻。

    Foster說，當(dāng)前的晶體管zui終可能很難被取代，因此研究人員可能要開發(fā)基于現(xiàn)有晶體管技術(shù)的更好的結(jié)構(gòu)和芯片設(shè)計，來保持計算能力的增長速率。

    同英特爾和IBM等公司的研究預(yù)算相比，2000萬美元不算多。Foster說：“這筆資金將用于幫助試驗室支持私人部門的研究，而不是與它們競爭。"NSF將扶植實驗室和“半導(dǎo)體研究"這樣的行業(yè)協(xié)會來開展工作。這些機構(gòu)同時可以與商業(yè)組織合作，而后者將可能持續(xù)投入來推動研究項目轉(zhuǎn)化為大規(guī)模。

    Foster同時指出，這些研究還處于非常早的階段，還不能預(yù)期任何結(jié)果?！安贿^肯定可以推動器件小型化和系統(tǒng)中容錯技術(shù)的發(fā)展。"

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