| 作者 Dr. J | 發布日期 2015 年 10 月 16 日 | 分類 晶片 , 零組件 , 電腦 |
以矽為主體的半導體工業，已主導整個產業發展達半世紀之久，但因矽的材料特性有許多缺點與限制，科學家一直想要找到更新的材料或技術取代它，因此陸續出現了光子電腦（Photonic computer）、量子電腦（Quantum computer）、奈米碳管（Carbon Nano Tube，CNT）、石墨烯（Graphene）等全新的技術與材料，希望能夠一次徹底翻轉半導體工業，但是這些新材料或技術常常被媒體報導炒熱之後，卻又默默無寂而終，到底這些新科技的發展瓶頸在那裡？為什麼這種跳躍式的科技創新這麼難呢？
MOS 是控制電子來進行開關，關（OFF）代表 0，開（ON）代表 1，但是卻有許多限制，由於電子在金屬導線裡前進會有電阻因此速度仍然不夠快，而且電阻會產生熱造成元件溫度上升，還有其他許多材料特性的限制，讓科學家一直想要找到新的材料或技術來取代它。
光的速度比電快很多，但是要控制光卻也比控制電困難許多，在積體電路（IC）內或印刷電路板（PCB）上的金屬導線，不論線路如何複雜，電子都會乖乖的沿著金屬導線前進，簡單的說，電子可以 90 度直角轉彎，如圖一（a）所示，因此電子元件可以縮小；但是光的特性是沿著直線前進，如果我們在光學元件上製作一條 90 度的光波導（可以導光的通道），如圖一（b）所示，則光會直接衝出去而不會乖乖轉彎；一般而言，光轉彎的角度必須小於 5 度，如圖一（c）所示，因此光學元件不易縮小。
我們只能說，成為一位科學家必須想像力豐富，才能創造出全新的科學世界；而成為一位工程師，除了要有想像力，更需要有耐心將科學原理放大到工廠裡大量生產成為產品，而這個過程才是科技創新最困難的地方。有了光子、量子、分子，不等同於有了電腦，因為利用光子、量子、分子製作出具有開與關兩種狀態的元件並不難，但是要把這些元件連接起來形成數位邏輯電路，並且在工廠裡達到 90% 以上的良率大量生產成為產品卻很不容易。
雖然這幾年手機處理器進步很快，但好像只是由雙核心進步到四核心、八核心，而處理器的工作頻率（MOS 每秒鐘的開關次數）大約都在 2GHz 左右，並沒有太大的進步，這是矽原子天生的限制；而使用碳原子的奈米碳管或石墨烯來製作電晶體，則處理器的工作頻率有機會超過 100GHz。
最近 IBM 宣稱已經製作出奈米碳管電晶體（CNT transistor）、石墨烯電晶體（Graphene transistor）等元件，目的就是要取代 MOS，他們將金屬鉬 （Molybdenum）銲接到碳奈米管兩端來維持電晶體內部低電阻，並且將奈米碳管的管徑縮小到 10 奈米以下，聽起來真是科技跳躍式創新的絕佳材料，但是奈米碳管目前主要是使用氣相沉積法製作，成長好的奈米碳管就像雜草一樣，而這堆亂七八糟的雜草管徑只有 10 奈米（病毒的尺寸大約100奈米），工程上該如何將管徑只有 10 奈米的東西放到矽晶圓上把它連結在源極（Source）與汲極（Drain）之間形成電晶體呢？而且還要一根一根排列整齊，還要在上面進行「布局（Place）」與「繞線（Routing）」，說真的，只要進過實驗室做過這種材料製程實驗的人，想到這裡應該開始頭皮發麻了。
積體電路的基本元件：MOS
MOS 是目前半導體產業最常使用的一種電晶體，科學家將它製作在矽晶圓上，是數位訊號的最小單位，我們可以想像一個 MOS 代表一個 0 或一個 1，就是電腦裡的一個「位元（bit）」， 當 MOS 不導通代表這個元件處於「關（OFF）」的狀態，我們可以想像成這個位元是 0；當導通代表這個元件處於「開（ON）」的狀態，我們可以想像成這個位元是 1。電腦是以 0 與 1 兩種數位訊號來運算；我們可以想像在矽晶片上有數十億個 MOS，就代表數十億個 0 與 1，再用金屬導線將這數十億個 MOS連結起來，電子訊號在這數十億個 0 與 1 之間流通就可以交互運算，最後得到我們所需要的加、減、乘、除運算結果，這就是電腦的基本工作原理，對 MOS 的工作原理有興趣可以參考這裡。MOS 是控制電子來進行開關，關（OFF）代表 0，開（ON）代表 1，但是卻有許多限制，由於電子在金屬導線裡前進會有電阻因此速度仍然不夠快，而且電阻會產生熱造成元件溫度上升，還有其他許多材料特性的限制，讓科學家一直想要找到新的材料或技術來取代它。
光子電腦
目前被提到的取代方法之一，是以光子（Photon）來取代電子（Electron），則暗（OFF）代表 0，亮（ON）代表 1，稱為「光子電腦（Photonic computer）」。這個原理一點也不困難，因此早在 30 年前就有科學家提出「光腦（Optical computer）」的概念，為什麼這麼多年過去了，要使用光腦來取代電腦卻如此困難呢？註：光子（Photon）其實就是光（Light），愛因斯坦研究光電效應發現光其實應該和電子一樣是一顆顆的稱為「光子（Photon）」，他也因此項發現獲得了 1921 年的諾貝爾物理獎。光就是光，科學家說它是光子，聽起來是不是立刻就「高檔」了起來？甚至有人可能還在想這是什麼創新的技術，其實我們每天眼睛一張開就有一堆「光子」射進你的眼睛啦！
光子不易控制
將電子元件縮小堆積起來稱為「積體電路（Integrated Circuit，IC）」，而將光學元件縮小堆積起來稱為「積體光學（Optic Electric Integrated Circuit，OEIC）」，在積體光學元件上可以導光的通道稱為「光波導（Optical waveguide）」。要發現一個材料或技術能夠表現出開（ON）與關（OFF）兩種狀態並不困難，但是積體電路最麻煩的並不只是如何製作 MOS，而是如何將製作好的 MOS 用金屬導線連接起來形成數位邏輯電路，這是積體電路設計主要的工作，我們稱為「邏輯設計（Logical design）」與「實體設計（Physical design) ）」，包括積體電路「布局（Place）」與「繞線（Routing）」。光的速度比電快很多，但是要控制光卻也比控制電困難許多，在積體電路（IC）內或印刷電路板（PCB）上的金屬導線，不論線路如何複雜，電子都會乖乖的沿著金屬導線前進，簡單的說，電子可以 90 度直角轉彎，如圖一（a）所示，因此電子元件可以縮小；但是光的特性是沿著直線前進，如果我們在光學元件上製作一條 90 度的光波導（可以導光的通道），如圖一（b）所示，則光會直接衝出去而不會乖乖轉彎；一般而言，光轉彎的角度必須小於 5 度，如圖一（c）所示，因此光學元件不易縮小。
▲ 圖一：電子在金屬導線與光子在光波導上前進的差別。
光波導就像鐵軌一樣，而光子在光波導上前進就像火車在鐵軌上前進一樣，火車就是因為無法大角度轉彎，因此鐵軌會盡量設計成直線前進，如果要轉彎就必須拉長距離，大家有看過鐵軌做成 90 度轉彎的嗎？如果不能，那這樣的元件如何縮小呢？因此就算找到了可以取代 MOS 的光學元件，要靠小於 5 度的光波導來布局與繞線，又要能夠做出很小的晶片，基本上是非常困難的。為了讓光能夠大角度轉彎以縮小積體光學元件的尺寸，有科學家創造了「光子晶體（Photonic crystal）」，不幸的是，理論計算出來的光子晶體以目前的工程技術與光學原理來檢視，仍然遭遇許多困難而無法實現。光子儲存問題
要製作處理器最重要的除了能夠進行開關的電晶體，另外一個就是記憶體，也就是大家耳熟能詳的 DDR 與 Flash 了，DDR 是使用電容來儲存電子，Flash 是使用浮動閘極（基本上也是一種電容結構）來儲存電子，但是光子要如何儲存呢？答案是，目前科學家仍然沒有找到能夠儲存光的元件，大家千萬別想到 CD 和 DVD 唷！這種元件只是利用凸起和凹洞使光反射回來有多（代表 1）有少（代表 0）而已，並不是真的把光儲存起來，由於沒有能夠儲存光子的元件，因此要用光子來做運算仍然是非常遙遠的事。科學家的迷思：有開（ON）與關（OFF）就有電腦
由於積體電路（IC）最基本的元件是控制電子來進行開（ON）與關（OFF）的 MOS，因此科學家只要發現任何材料或技術能夠顯示出這兩種狀態，就說未來可以取代矽改變半導體工業。因此物理學家發現某些物質具有向上自旋（代表 1）與向下自旋（代表 0）兩種量子狀態，就說可以取代矽成為「量子電腦（Quantum computer）」；化學家發現某些有機分子（環狀烴）的環狀結構具有失去電子而正轉（代表 1）與得到電子而反轉（代表 0）兩種轉動狀態，就說可以取代矽成為「分子電腦（Molecular computer）」。我們只能說，成為一位科學家必須想像力豐富，才能創造出全新的科學世界；而成為一位工程師，除了要有想像力，更需要有耐心將科學原理放大到工廠裡大量生產成為產品，而這個過程才是科技創新最困難的地方。有了光子、量子、分子，不等同於有了電腦，因為利用光子、量子、分子製作出具有開與關兩種狀態的元件並不難，但是要把這些元件連接起來形成數位邏輯電路，並且在工廠裡達到 90% 以上的良率大量生產成為產品卻很不容易。
奈米碳管與石墨烯：工程上難以量產的「高科技」
1991 年科學家發現奈米碳管（Carbon Nano Tube，CNT），2004 年科學家發現石墨烯（Graphene），這兩種新材料結構都是由碳原子組成，只是原子排列方法不同而已，如圖二所示，這兩種材料具有比矽更好的特性，包括：良好的導電性與導熱性、極高的材料強度等。雖然這幾年手機處理器進步很快，但好像只是由雙核心進步到四核心、八核心，而處理器的工作頻率（MOS 每秒鐘的開關次數）大約都在 2GHz 左右，並沒有太大的進步，這是矽原子天生的限制；而使用碳原子的奈米碳管或石墨烯來製作電晶體，則處理器的工作頻率有機會超過 100GHz。
最近 IBM 宣稱已經製作出奈米碳管電晶體（CNT transistor）、石墨烯電晶體（Graphene transistor）等元件，目的就是要取代 MOS，他們將金屬鉬 （Molybdenum）銲接到碳奈米管兩端來維持電晶體內部低電阻，並且將奈米碳管的管徑縮小到 10 奈米以下，聽起來真是科技跳躍式創新的絕佳材料，但是奈米碳管目前主要是使用氣相沉積法製作，成長好的奈米碳管就像雜草一樣，而這堆亂七八糟的雜草管徑只有 10 奈米（病毒的尺寸大約100奈米），工程上該如何將管徑只有 10 奈米的東西放到矽晶圓上把它連結在源極（Source）與汲極（Drain）之間形成電晶體呢？而且還要一根一根排列整齊，還要在上面進行「布局（Place）」與「繞線（Routing）」，說真的，只要進過實驗室做過這種材料製程實驗的人，想到這裡應該開始頭皮發麻了。
註：大部份的人沒有親眼看過奈米碳管，很難把它和雜草聯想在一起，有興趣看看奈米碳管的人可以參考這裡，這些是奈米碳管的電子顯微鏡照片。
其實從這些材料的發現到現在已過了十幾、二十年，為什麼這種跳躍式的科技創新仍像是紙上談兵，沒有看到它改變半導體工業？從上面的說明大家就可以感覺得到，雖然這些科學上的新發現帶給我們對未來的無限憧憬，但是十幾、二十年內要把這些東西在工廠裡達到 90% 以上的製程良率大量生產成為產品，真的是不太可能的。註：處理器的工作頻率可以想像成 MOS 每秒鐘開（ON）與關（OFF）的次數，G=10 億，2GHz 代表每秒鐘的開關 20 億次。
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