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半导体业面临“2010年黑幕”

    【美国《洛杉矶时报》5月12日文章】题:量子跃迁(作者迈克尔·希尔茨克)
    你或许听说过2000年问题,是指在新的一千年来临的那一刻,价值数十亿美元的商用软件将报废。但是2010年问题又会产生什么后果呢?斯坦利·威廉斯说:“此时此刻,我将2010年看作是一张黑幕。但是我不知道幕后是什么。”威廉斯的话听上去有点悲观,但是事出有因。
    作为惠普公司首席实验室科学家,威廉斯的主要工作是确定2010年黑幕后面究竟隐藏着什么。因为到那个时候,目前的技术发展趋势终于有可能会使计算机芯片因体积过小而不能有效工作(而且也因为成本过高,而不能投入生产)。
    在过去30年间,半导体业一直遵循半导体巨人英特尔公司创建者之一的戈登·穆尔的法则预言,计算机的计算能力每18个月就要增长一倍。芯片工厂成本已达天文数字
    在两个基本发展趋势的共同作用下,“经典”半导体设计宣告结束。其中一个发展趋势是由于需要制造更小和更精密的芯片,致使极高精度装置的成本居高不下。
    芯片工厂的投资规模早就突破了10亿美元大关。高级微设备公司(AMD)将于1999年在德累斯顿投产的一家工厂将耗资19亿美元。行业专家说,照目前的发展速度,在刚进入下个世纪不久,一家芯片工厂的投资额就会达到100亿美元,甚至250亿美元。到那个时候,制造计算机芯片的资金就几乎会演变成政治问题。
    第二个限制因素更具有根本性:电子行为。诸如微处理器等这样一些电子装置实际上是在电路中发送带电电子流并通过逻辑“门”来工作的,逻辑“门”是用来实现“开”或“关”的,开关状态取决于是否有电流。今天的芯片需要同时有几百个电子来开关逻辑门。随着芯片体积越来越小,所需要的电子数也会随之减少。这很好,因为这意味着芯片的能耗降低了,而且芯片工作时产生的热也减少了。但是这也有不利的一面:用于开关逻辑门的电子数越少,背景噪声的影响就越大。
    威廉斯说:“当你将电子数减少到只有几十个的时候,你就会遇到统计学上的问题。5个电子是‘开’还是‘关’?到了你谈论这么少的电子数的时候,每100个逻辑门中就会有一个处于模糊状态,而这是不能接受的。”
    接下来的是“量子效应”。在亚原子水平上,牛顿的经典物理学普遍定律不再适用了。处于彼此十分接近而又状态独立的电子不再像弹子游戏中的弹子那样顺从地穿过迷宫一样的回路。电子的行为变得不可预测,而且时常显得稀奇古怪。电子时而有如粒子,时而有如波。它们的行为不可预测,只能从概率范畴来理解。量子效应的困惑与希望
    量子力学可能是今天科学中最令人困惑不解的学科——自从1913年首次观察到量子现象以来,量子力学就一直是最令人困惑不解的学科。在那些感到困惑不解的人中包括爱因斯坦,但是对许多科学家来说,量子力学可能还是数字计算的拯救者。因为当电子装置的体积小到一定程度时,电子装置的性能肯定会受到量子效应的影响。研究人员正致力于研究利用(而不是克服)量子效应的方法。
    麻省理工学院机械工程系物理学家塞思·劳埃德说:“量子效应让人不舒服。它们使不可能的事发生了。所以,合理的做法是,如果你不能征服它们,那就利用它们。”
    这项研究是从几个相关的途径开始着手的,所有这些研究方法都是以名为“叠加”的量子现象为基础的。简而言之,这种似乎难以理解的提法的意思是,处于某个量子状态下的电子所代表的不仅仅是“开”或“关”——数字语言中的“1”或“0”,而且还同时代表“开”和“关”这两个状态。从理论上讲,这实际上使一个电子同时完成几百次运算。
    那只是理论。加州理工学院、斯坦福大学、麻省理工学院以及世界各地的其他一流实验室中活跃的研究课题才是今天的现实。斯坦福大学电子工程教授、固态实验室主任詹姆斯·哈里斯说:“我们从两方面入手。你能制造出仅靠一个电子工作的装置吗?这样的装置又有什么用呢?”哈里斯的学生已经成功地分离出一个个量子计算实验用的电子。
    至少可以从理论上来回答上面两个问题。可以制造出仅靠一个电子工作的装置,至少是在实验室条件下,这类装置本身已经表明了一些用途。量子计算前景诱人
    用途之一是对大数进行因子分解,这是密码学领域的一项重要应用。以100位数字的因子分解(亦即找出所有的整除数)为例。正如威廉斯所说的,即使一台比目前任何一台计算机的运行速度还要快得多的计算机,要想通过最简单的除以连续整数的方法完成因子分解过程,需要的时间可能比宇宙的年龄还长。
    威廉斯说:“但是量子计算机却可以瞬间完成这项工作。”然而,将这些理论变为现实的实际障碍是巨大的。这些障碍包括分离电子并使电子保持量子状态所必需的苛刻条件;几乎所有的电子操作都需要接近绝对零度(零下273摄氏度)的温度和探针尖只有几个原子大小的探测装置。接下来是纠错问题,这是量子领域全新的概念。量子计算机在输出正确结果的同时,还输出数以百万计的错误结果,因此需要一些去伪存真的巧妙方法。最近的一些进展已使研究人员对解决这些问题比以往更有信心。量子研究取得一些突破
    IBM公司圣何塞南部阿尔马登研究中心负责开发约束单个电子的离子阱工作的纳比尔·阿默说:“就试验可行性和得出真实与否的结论而言,形势看上去越来越好。极其优秀的研究人员正在参与这项研究工作。”例如,哈里斯研究小组开发出在常温下工作的单电子晶体管(又称“量子点(QUANTUMDOT)”)。在扫描电子显微镜领域的进展使研究人员实际上能够从原子水平上观察他们的得意之作。但是麻省理工学院研究人员尼尔·格申菲尔德和目前在洛斯阿拉莫斯国立实验所工作的艾萨克·庄今年年初宣布的研究进展可能最为引人注目。他们在早期研究的基础上,证明核磁共振光谱(普遍应用的而且易于操作的技术)可以用于操作分子中的原子核来产生计算结果。
    庄和格申菲尔德的发现的意义,在于表明量子计算并不总是需要非常难以约束的分离状态的电子。当数以万亿计的分子在一杯室温液体中一个挨一个地挤在一起的情况下,量子计算装置甚至能更有效地工作。研究人员告诫说,改进操作这些量子位和读取结果的技术还非常困难。但是许多研究人员都说,庄和格申菲尔德已经解决了困扰该领域的一个难题。威廉斯说:“如果你三个月前问我多长时间才能够着手量子计算,我会回答说25年。但是现在我会说我们现在就能着手做了。”至于如何利用量子计算,专家们沉湎于远远超乎想象的应用前景中。