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纳米技术可以帮助继续维持摩尔定律吗
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摩尔定律允许“更小”和“更强大”共存，这一趋势已成功演化了近50年，但物理学家们清楚地知道，我们目前的水平正在接近物理极限。
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计算机科学开始之初，硬件上的进步都是被军队、太空探索项目等政府机构的需求推动的。计算机是在“二战”之中诞生的，之后的进步主要由NASA或DARPA（全称为Defense Advanced Research Projects Agency，美国国防部高级研究计划局）推动。DARPA是美国国防部重大科技攻关项目的组织、协调、管理机构和军用高技术预研工作的技术管理部门，主要负责高新技术的研究、开发和应用。如果不是这些大的政府机构，那也会是一些大的计算机巨头公司来推动硬件变革，因为只有它们有执行大量计算的需求和巨额投资能力。
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我们这个时代发生的一个重大变化是，硬件不断改变的压力来自消费类电子产品。NASA、DARPA和一些大公司根本不在乎“浪费电”来运行大型计算机，但消费类电子产品的广大用户们承受不了，他们想要越来越小的计算机。
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正是摩尔定律让我们使用的电子装备发生了翻天覆地的变化。几乎每十年，电脑都会“大变身”。从20世纪60年代的大型主机到70年代的小型机，从80年代的个人电脑至90年代的笔记本电脑，再到2000年后无处不在的智能手机。如今正在发生的变革则是为物联网而生的嵌入式处理器。
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我们一直认为，下一个十年也会因新一代计算机设备的诞生而完全不同，但是，如果摩尔定律“失灵”了怎么办？如果我们所有的电子产品都停留在目前水平又会怎样？后果大概就会像高速行驶的火车骤然停下一样。
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事实是，摩尔定律从2005年英特尔和AMD推出他们的第一个“双核”处理器时就已经开始失灵了，因为摩尔定律最初就是对能被“挤”进一个电子芯片的电子元件（晶体管）的数量而言的（1971年，英特尔推出的全球第一颗通用型微处理器4004，由2 300个晶体管构成。当时，公司的联合创始人之一戈登·摩尔提出后来被业界奉为信条的摩尔定律——每过18个月，芯片上可以集成的晶体管数目将增加一倍，意味着运算速度即主频就更快）。2000年开始，我们才将摩尔定律跟芯片的计算能力联系起来。英特尔2015年推出的“Xeon Haswell-EP”处理器声称具有55亿个晶体管，计算能力大大提升，事实是它具有“18核”。最初的微处理器基本上是一台电脑对应一个芯片，“双核”乃至“多核”微处理器其实是将多台电脑放在一个芯片上，即在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎（内核）。
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此外，单个晶体管的价格自从因为台湾半导体制造公司（TSMC）2011年推出了28纳米（28nm）芯片后其实是在上涨，而不是下降。2012年以后，英特尔就开始用不同的晶体管了，即“三栅极”晶体管。也有很多人将其称为“FinFet”（鳍式场效应晶体管，是一种新的互补式金氧半导体晶体管）晶体管，它最初是加州大学伯克利分校的胡正明（Chenming Hu）教授1998年发明的，胡正明的一个学生崔梁圭（Yang-Kyu Choi）在韩国科学技术院（KAIST）创建了纳米技术实验室，之后在FinFet晶体管上开创了一个又一个纪录。
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2015年，英特尔发布第六代微处理器Intel Skylake，采用14纳米制程（比Intel 4004处理器强大40万倍），之后，英特尔却宣布其10纳米处理器Cannonlake将被推迟至2017年。14纳米也好，10纳米也好，“纳米”规模说的都是芯片上晶体管之间的间隔距离。英特尔第一个微处理器英特（Intel 4004）的晶体管间距是1万纳米，约有一根头发的十分之一宽。经过几十年的压缩后，如今达到14纳米。在这个尺度上再往下操作的难度和成本实在是太大了。
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Intel Skylake的晶体管大约由100个原子组成，如果继续压缩，10年以内我们应该就能有2纳米的微处理器，因为一个原子的直径只有大约0.2纳米，意味着这些晶体管需要在仅有10个原子宽的空间工作！技术上是可行的，但价格会高到消费者难以承受。毕竟，如今建造微处理器工厂的成本已经达到数十亿美元。
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除成本因素外，让芯片实现更快的速度，却不产生过多的热量已经变得越来越难了。因为，增加芯片的时钟速度（clock speed，振荡器设置的处理器节拍，也就是由振荡器产生的每秒脉冲次数）一定会增加其电能消耗，进而一定会使其产生更多热量。换句话说，如果想要继续压缩芯片，将更多的硅元件集成到一个极小的空间上，它们不可避免地会产生更多的热量。发明一个集微小、功能强大和价格便宜于一身的芯片并不难，但如果同时需要使用昂贵的冷却机制来给芯片降温，这样的芯片就毫无用处了。
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英特尔和其他芯片巨头解决这个难题的办法是，在一个芯片上增加多个处理器。即上文提到的，从2005年开始英特尔等巨头相继推出“双核”乃至“多核”微处理器，但“多核”之路面临诸多来自软件算法、安全性能等多方面的挑战，英特尔曾最多展示过80核的微处理器，但并未能商业化。
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即使英特尔和其他芯片巨头们找到了冷却电路的方法，这些微小的电路也正在接近几个原子的大小，只比大多数病毒小一些。在超低温情况下，这些微小的电路会开始出现量子效应（quantum effects），这会让它们变得不稳定。
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2016年，英特尔执行副总裁之一威廉·霍尔特（William Holt）公开承认，英特尔不打算在7nm以下的芯片中继续使用硅了。这没什么好奇怪的，早在2014年，IBM就宣布投资30亿美元到“后硅时代”的计算机技术上，并特别提到了7nm的这个门槛。到那个时候，硅谷再叫“硅”谷就不合时宜了。霍尔特提出，届时，“自旋电子学”（spintronics，自旋电子学是一种使电子充电和旋转均能用于携带信息的新技术，具有广泛的应用潜力）可能会替代今天的“电子产品”。
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业内巨头们一直在寻找解决方案。2012年，IBM宣布发明了同时使用电力和光纤连接的芯片，并在2015年发布了很多改进版本。2015年，麻省理工学院的拉杰夫·拉姆（Rajeev Ram）宣布，他的研究小组（与加州大学伯克利分校合作）也建造出了这样的“光电”处理器。
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然而，纳米技术提供了通过纳米电路来从根本上解决这个问题的可能性。石墨烯“纳米带”1996年被藤田光孝（Mitsutaka Fujita）从理论上提出后已经二十年了，它可以取代硅半导体，提供更高的晶体管密度和时钟速度。问题是如何制造出石墨烯“纳米带”。目前，加州大学洛杉矶分校的保罗·维斯（Paul Weiss）、加州大学伯克利分校的费利克斯·菲舍尔（Felix Fischer）和威斯康星大学的迈克尔·阿诺德（Michael Arnold）正在实验提高石墨烯“纳米带”产量的方法。
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石墨烯总是在“最具希望的新材料列表”的前端，但也不是解决这个问题的唯一希望。为了取代硅，世界各地的研究者都在寻找可能的二维材料。石墨烯在取代硅上的问题是它导电性能太好了，大多数科学家们都更想找到类似硅的半导体材料。自2010年以来，当洛桑联邦理工学院的安德拉斯·克什（Andras Kis）用类似硅的新材料建造出晶体管以后，这种被称为“TMDC”（过渡金属二硫族化合物transition-metal dichalcogenide）的材料已成为取代硅的候选者之一。
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2016年，英国计算科学中心的马杜·梅农（Madhu Menon）的团队发现了一种新材料，只有单原子层那么厚，像石墨烯一样，但它又是半导体，像硅一样。这种新材料又是在我们的星球上很容易可以找到的三种元素制成的，它们分别是硅、硼和氮。[13]
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硅仍是未来电子电路的候选材料，继续使用硅还是有希望的，但它可能需要以完全不同的方式被使用。比如，用来传递光，而不是传递电子。研究者发现，继续使用硅晶体管，但使用光来传输信息，也能使计算机的性能得到极大提升。问题是，我们早已使用光纤电缆来传输全世界互联网上的数据，但在芯片上，我们仍在使用铜线将一个电路的信息传输到另一个电路，原因就在于光纤电缆难以压缩到电子芯片的纳米尺寸里，铜线可以做到，光纤电缆却做不到，压缩光的波长太难了。
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2016年，来自加拿大阿尔伯塔大学的萨满·贾哈尼（Saman Jahani）和来自美国普渡大学的祖宾·雅各布（Zubin Jacob）发现了一种用基于硅的透明超材料来压缩光的办法，意味着未来有一天，我们的计算机可能会是用硅基光子电路做成的。[14]
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其他值得一提的是，道格·巴拉格（Doug Barlage）的团队在加拿大阿尔伯塔大学开发了一种新型晶体管，可以说是1959年贝尔实验室发明的“MOSFET”（金属—氧化物半导体场效应晶体管，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管）晶体管的进化版，可以用来制造非常薄，且具有弯曲能力的电子设备。[15]
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不过，摩尔定律对硬件来说已经到极限了，但对软件来说，还没有一个可以命名的类似规则。大家容易忽略的是，软件的价格也一直在以指数速度下降，如今大多数应用程序都是免费的。软件的费用从20世纪70年代动辄数百万美元，到现在直降为零，这带来的影响和改变也是巨大的。
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不容回避的是，如果微处理器的进步就此打住，后果将波及很多领域。比如人工智能，人工智能今天的很多进步主要都来自“暴力破解”，靠使用越来越强大的处理器来分析和计算。再比如虚拟现实，用户体验的逼真度跟处理器的速度也分不开。又比如物联网，嵌入式微处理器是物联网提供无时、无处不在的计算能力的重要支撑……
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目前给我们希望最多的还是纳米技术，换言之，如果纳米技术失败了，未来10~20年的世界会相当枯燥，我们的电子设备在性能上将原地踏步，很多梦想的改变会一直停留在“梦想”中。摩尔定律可能会停止，数字设备可能只有非常小的进步。我们对数字设备的更新换代已经如此习以为常，但很可能未来的数字设备并没有什么改变。如果纳米技术失败了，世界会无聊很多。
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不过，我们可以“自我安慰”的是，这也不是第一次人类期待的进步戛然而止了。比如飞机，如今的飞机跟20世纪60年代是同样的速度，虽然1969年的协和式超音速飞机更快，但因为公众的安全忧虑很快退出了历史舞台。没有“更快”的飞机并没有让人们特别失望或干脆不再使用飞机了，这意味着“更快”可能并不总等于“更好”。而且，制造芯片的巨额费用迫使零散的公司们合并成大型企业集团。如今，半导体市场被英特尔、三星、台积电等少数大企业主导（高通、AMD和其他公司也卖芯片，但这些芯片多由代工厂在亚洲制造）。目前的这种情况跟飞机和汽车制造业很相似，想让这些大公司自己发起重大变革总是比较困难的。
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