近日，美国国家科学基金会（NSF）向美国政府申请了2000万美元的经费用于2009年的财政规划，计划启动一个名为超越摩尔定律的科学与工程（Science and Engineering Beyond Moore’s Law，SEBML）项目。据悉，该项目将用于资助那些可以取代当前硅技术的研究。

摩尔定律是由英特尔公司的创始人之一戈登・摩尔1965年提出的。他指出芯片上可以容纳的晶体管数量每隔18个月会翻一番，相应的计算能力也随之翻番。不过，NSF指出，基于现有的硅技术，摩尔定律将在今后10到20年中达到物理和概念上的极限，打破摩尔定律要求全新的科学、工程和概念框架。

SEBML是一项与纳米科技、计算科学、材料科学、物理学紧密相关的多学科研究项目。它基于NSF过去对这些领域的投资，同时又为这些学科注入了新的动力、方向和挑战。

SEBML的目标是支持可以改进或取代现有晶体管技术的研究，打破现有技术极限，保持美国在通信和计算领域的前沿地位。具体支持的方向包括碳纳米管、量子计算以及大规模多核计算机等。

寻找新结构

NSF计算与通信学部主任Michael Foster认为，美国过去20年中的经济、社会进步都依赖于不断提高的信息处理和计算能力，而在不久的将来，这种能力可能会受到现有硅技术发展的限制。一旦技术基础走到尽头，“我们就必须找到其他方法替代它，否则只能停止前进”。

通常，提高晶体管性能的方法是减小分隔晶体管各部分的栅氧化层或绝缘体的厚度。而在不远的将来――8到10年内，栅氧化层的厚度将被减小到能作为有效绝缘体的极限。

Foster表示，一旦达到这个极限，人们就必须寻找可替代或改进的方法，而目前还没有任何其他可以提高晶体管性能的可行方法。“这就是为什么我们必须研究如基于纳米结构的晶体管这样真正的全新结构。”Foster说。

下一代技术

晶体管性能与其大小相关――晶体管越小，性能越好。碳纳米管技术能用于制造更小的晶体管。Foster说：“碳纳米管使得我们可以生产比目前小得多的晶体管。”

碳纳米管还可以用于连接电路。这要求电路具有容错能力，对芯片结构的研究提出了新的要求。Foster表示，芯片结构将成为“超越摩尔定律”的重要组成部分。

量子计算可以提供大规模计算能力。量子计算利用物质――原子和分子――以超级计算的速度处理海量任务。离子是量子计算机中量子位（qubits）应用的理想选择。Foster说：“我们现在可以在非常低的温度下捕获单个离子，并把它们用作量子位，但实际应用中可能需要满满一屋子的设备。这方面显然还有很大的上升空间，很有前景。”

并行性是量子计算的一大特点，因此量子计算的发展需要并行编程技术的提高。而人们从上世纪70年代就开始研究并行计算，但进展缓慢。

现有研究

“在不必扩展单个计算机计算能力的情况下人类可以继续提升IT的能力，但我们需要进行软件研究来了解如何协调不只是一两台计算机，而是成千成百万台计算机的计算能力。”Foster说，这就提出一个问题――经过几十年的努力，科学家何时才能彻底掌握并行编程技术？

目前，NSF已经在进行纳米技术、软件和芯片结构方面的研究，这些研究将为开发超越摩尔定律计算能力的芯片作出贡献。

Foster说，当前的晶体管最终可能很难被取代，因此研究人员可能要开发基于现有晶体管技术的更好的结构和芯片设计，来保持计算能力的增长速率。

同英特尔和IBM等公司的研究预算相比，2000万美元不算多。Foster说：“这笔资金将用于帮助试验室支持私人部门的研究，而不是与它们竞争。”NSF将扶植实验室和“半导体研究”这样的行业协会来开展工作。这些机构同时可以与商业组织合作，而后者将可能持续投入来推动研究项目转化为大规模生产。

Foster同时指出，这些研究还处于非常早的阶段，还不能预期任何结果。“不过肯定可以推动器件小型化和系统中容错技术的发展。”

（来源：科学时报  作者 陈欢欢）