“預計芯片中集成晶體管的數(shù)量 24 個月會提高一倍。”——相信大家對英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登摩爾提出的“摩爾定律”并不陌生。在過去的四十年里，IT 行業(yè)一直受這一定律的驅(qū)動。不過近年來隨著傳統(tǒng)電子芯片發(fā)展速度的放緩，“摩爾定律”正逐漸走向歷史。未來，基于光子技術(shù)的新型芯片，或?qū)⒋蚱齐娐吩南拗?，建造出運算速度更快的計算機。

“摩爾定律”已接近物理極限

眾所周知，在過去的幾十年里計算機行業(yè)的發(fā)展始終遵循著“摩爾定律”——半導體電路晶體管的體積越來越小，單個芯片上可容納的晶體管數(shù)變得越多，并呈每 18 到 24 個月翻一番的速度在迭代增長。而晶體管數(shù)量的增多意味著處理器的速度越快、效率越高——也就是說，同樣價格電子產(chǎn)品的性能，時隔 18 到 24 個月就會翻倍。

因此為了能在高速發(fā)展的 IT 行業(yè)立足，芯片制造商一直致力于研發(fā)更小的晶體管。目前晶體管的體積已經(jīng)從 1907 的 100 毫米躍升至今天的 14 納米。而去年 10 月美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究團隊更進一步，成功研發(fā)出柵極（晶體管內(nèi)控制電流的部件）僅長 1 納米的晶體管——比一條 DNA 鏈還?。?.5 納米）。

不過隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，“摩爾定律”也逐漸遇到了物理法則的限制，自進入 21 世紀以來，出現(xiàn)了“放緩”的跡象。目前，晶體管的體積已經(jīng)達到納米級別，繼續(xù)縮小的可能性正逐漸變小，“摩爾定律”所欲言的發(fā)展軌跡似乎已逼近極限。

事實上，芯片界也意識到晶體管尺寸接近下限這一現(xiàn)實。去年以英特爾、AMD 和 Global Foundries 為代表的美國半導體工業(yè)協(xié)會發(fā)表報告稱，到 2021 年，硅晶體管尺寸的縮小將不再是一件經(jīng)濟可行的事情。取而代之，芯片將以另一種方式發(fā)生改變。

基于光子學的新型芯片或?qū)⒋蚱七@一僵局

近來，研發(fā)人員將目光從增加晶體管數(shù)量逐漸轉(zhuǎn)移至提升晶體管效率上，希望建造出信息處理效率更高的新型芯片。“與光子學結(jié)合的芯片技術(shù)，將成為電子行業(yè)的未來?！薄悦芪鞲髮W材料學家 Arnab Hazari 為代表的科學家表示。

目前，晶體管依賴于電子移動來實現(xiàn)信息傳遞。而在芯片中由于光子不受電磁阻力等的影響，所以其傳播速度比電子快，可達二十倍以上。這意味著如果將半導體通路中的電子信號替換為光子，則芯片在不改變大小的情況下，計算機運算速度也能加快數(shù)十倍——如果按“摩爾定律”的邏輯，實現(xiàn)這一目標需耗費十幾年以上的時間。

而近年來科學家們在光子芯片研究中的突破也證實了這一方案的可行性。2015 年年末，來自美國的研究團隊開發(fā)出全球首款利用激光來進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓庾有酒?。該款芯片每平方毫米的信息處理速度達 300Gbps，比現(xiàn)有標準處理器快 10 倍。這表明，光子芯片在提升計算機運算速率上具有巨大的潛力。

此外不少公司也抓住了這個轉(zhuǎn)變的機遇，紛紛加入新技術(shù)研發(fā)的“戰(zhàn)局”。如英國公司 Optalysys 正研發(fā)基于光子技術(shù)的、專用于處理基因組數(shù)據(jù)的高性能電腦；而法國公司 LightOn 則致力于開發(fā)以激光技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

不過光子芯片的研發(fā)現(xiàn)仍處于初級階段。若要正式落地，真正走向商業(yè)化，研發(fā)人員還面臨著不少挑戰(zhàn)——如何將新型光子芯片與現(xiàn)有計算機的電子通路更好地結(jié)合，如何實現(xiàn)更穩(wěn)定的光子控制技術(shù)等。

Arnab Hazari 總結(jié)道，雖然與已經(jīng)發(fā)展了幾十年的電子芯片相比，光子設(shè)備現(xiàn)階段所能執(zhí)行的任務較少。但隨著研究的深入，光子芯片將很快趕上傳統(tǒng)芯片的速度，成為新生代計算機的核心技術(shù)。