在過去的45年里，幾乎和鐘表一樣準(zhǔn)確的是，在計算機芯片上的晶體管數(shù)量大約每兩年就要翻一番，這就是和引力定律一樣有效的摩爾定律。隨著芯片上的有源元件越做越小，價錢越來越便宜，要想把數(shù)量越來越多的有源元件硬塞進(jìn)芯片中去會不可避免地導(dǎo)致復(fù)雜性和耗電量的大幅增加——因此新一代芯片的使用成本和前一代芯片相比并沒有太多變化。

　　晶體管數(shù)量過大有可能最終會使傳統(tǒng)的芯片設(shè)計走進(jìn)死胡同。如果科學(xué)家們想把越來越多的晶體管塞進(jìn)一塊芯片中去，那么有源元件的尺寸就得小于14納米(粗略地講，14納米僅相當(dāng)于血液中2個血紅蛋白分子的大小，或者一粒滑石粉末的千分之一)。

?

　　石墨烯就是按照蜂窩圖案排列的碳的單原子層。

　　一種被稱為石墨烯的物質(zhì)有可能會給摩爾定律帶來新的生機，因為它有可能進(jìn)一步擴(kuò)展硅技術(shù)的發(fā)展疆界。石墨烯就是只有一個原子厚度的碳原子按照六角形圖案排列成的單原子層。在電子顯微鏡下，石墨烯看上去就像是鐵絲網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)的混合。

　　“這種結(jié)構(gòu)不僅看上去很奇特，而且具有不可思議的特性，”佐治亞州理工學(xué)院納米實驗室的Walt de Heer說。“石墨烯是一種制作電子元件的奇妙材料。它不僅傳輸速度快，不需要太多能量，而且外形可以做的非常之小。它的性能遠(yuǎn)勝于硅，而且能做很多硅做不到的事情。它可能代表著電子學(xué)的未來。”

　　半導(dǎo)體研究人員從上世紀(jì)70年代起就已經(jīng)在拿石墨烯做各種實驗，但是要制作出超薄的蜂窩層來也存在著很大的困難。曼徹斯特大學(xué)的研究人員Andre Geim和Konstantin Novoselov在2004年成功制作出了石墨烯單原子層(這一成就和他們在石墨烯研究上的其他一些進(jìn)展為他們贏得了2010年度的諾貝爾物理學(xué)獎)，從那時起，這一領(lǐng)域的進(jìn)展可謂神速。

　　今年初，de Heer的小組已經(jīng)編織出了石墨烯導(dǎo)線——這是研制微晶片最基礎(chǔ)的一步——其寬度約為10納米，利用晶體的面衍生現(xiàn)象來放置一層純石墨烯從而制成一塊硅芯片。(面衍生是指一種晶體層以一定的規(guī)則取向關(guān)系生長于另一種晶體表面之上的現(xiàn)象，這一衍生層會模仿基層的結(jié)構(gòu)。)

　　最終，電子層的結(jié)構(gòu)會小到1納米厚，電子在其中的傳輸速度會比在硅片中的傳輸速度快很多，de Heer說。“一旦成功，石墨烯就能夠制成太赫茲處理器。這一速度要比今天最快的硅芯片快20倍。”

　　佐治亞理工學(xué)院的Walt de Heer：“一旦成功，石墨烯就能夠制成太赫茲處理器。”

　　明年，佐治亞理工學(xué)院的這個小組希望能夠完成石墨烯集成電路原型，并利用試驗臺探索該物質(zhì)的獨特性質(zhì)，為研制集成電路做進(jìn)一步的精煉。

　　與此同時，IBM的研究人員已經(jīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制作工藝生產(chǎn)出了用于實驗的石墨烯晶體管和集成電路。IBM的Guha指出，這是將石墨烯推向工業(yè)規(guī)模使用的第一步。

　　“這一領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ彼f。“在軍事和無線技術(shù)上擁有廣闊應(yīng)用前景，而且存在著與硅相互集成的可能性。現(xiàn)在需要的是做大量的工作以說明它有能力制作放大電路，或者生產(chǎn)大面積的高質(zhì)量石墨烯有源元件進(jìn)行集成。”

　　盡管按照進(jìn)展情況，首個石墨烯產(chǎn)品可能會在2013年問世，但是不能因此而預(yù)計會很快出現(xiàn)采用了石墨烯芯片的超高速筆記本電腦。由于石墨烯產(chǎn)品價格昂貴，所以最初可能只有一些不在乎成本，只在乎計算速度和低能耗的特殊場合才會用到它。

　　同樣的，我們今天所看到的很初步的石墨烯集成電路也因為價格昂貴只能用于軍事和空間應(yīng)用等特殊項目，在這些項目中，成本不是主要考慮因素。NIST的Seiler稱，“這個領(lǐng)域的歷史就是這樣，初期產(chǎn)品成本昂貴并且稀少，然后越來越便宜，最后到處都是此類產(chǎn)品。”

　　惠普實驗室的Williams補充道，“石墨烯是制作超高速芯片的一種新途徑，它擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ陜?nèi)就有可能成為普通產(chǎn)品。”

　　印刷電路：讓芯片的制作更便宜

　　標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝涉及一系列錯綜復(fù)雜的步驟，所有步驟都需要在一個造價昂貴的清潔空間中進(jìn)行，以防止灰塵和污染物毀壞電子元件。不過施樂公司正在研發(fā)一種更便宜，也更方便的制作電子元器件的方法，就是在一塊塑料薄片上印刷電路。這一工藝所需要的設(shè)備成本可能只需要數(shù)十萬美元，而不是像傳統(tǒng)的芯片制造工廠，比如英特爾最近在亞利桑那州破土興建的芯片工廠那樣需要數(shù)十億美元之巨。

　　施樂公司PARC研究實驗室商業(yè)部的前任主任Jennifer Ernst說，“常規(guī)的電子元器件工藝的確能實現(xiàn)快速、微型，但是成本高昂，”而通過直接在塑料薄片上印刷電路，PARC實驗室正在讓電子元器件的制作變得“緩慢、個兒大，但是便宜”。

　　PARC的設(shè)計是在基材上直接印刷電路，這多少有點兒像在信封上加蓋郵戳。但是這需要一些特殊材料，例如銀墨，不過這些設(shè)備可以在柔性的聚乙烯薄片上進(jìn)行印刷而不能在較脆的硅片上印刷。實際上，這種工藝的成品可能不能再叫做芯片了。

　　利用多種印刷工藝，包括噴墨、壓印和絲網(wǎng)印刷，PARC已經(jīng)制作出了放大電路、電池和交換電路，而其成本卻只是傳統(tǒng)方法的一個零頭。利用這種方法，該公司最近已成功地制作出了一塊20位的內(nèi)存和控制電路，計劃在明年開始銷售。與MB級別的閃存和DRAM芯片相比，其成本可大幅下降，而這只是個開始。

　　另一個有趣的印刷電路項目是探測感應(yīng)器磁帶，這是PARC實驗室為美國國防部高級研究項目署(DARPA)研發(fā)的。該項目把電路印刷在柔性磁帶上，而這種磁帶可以貼在士兵的頭盔上。再利用頭盔后部的柔性膠卷電池供電，這種感應(yīng)器可在戰(zhàn)場上測量出壓力(最高100psi，約合0.689Mpa)、加速度(最高1000Gs)、噪音級別(最高175分貝)和光亮度(最高400流明)。

?

　　PARC研制的柔性磁帶含有可測量壓力、噪音和光亮度的感應(yīng)器，可供戰(zhàn)場上的士兵使用。

　　士兵在穿戴這種感應(yīng)器一周后，可從頭盔上撕下磁帶將其交給某個實驗室，在這里，數(shù)據(jù)可以下載分析，這樣醫(yī)生就可以看出該名士兵的大腦是否有損傷。Ernst說，“這種成本不到1美元的感應(yīng)器可以取代7美元一個的感應(yīng)器，而其性能卻一樣的好。”

　　至于說到缺陷，印刷電路可能永遠(yuǎn)也達(dá)不到硅芯片的速度，也不太可能在指甲蓋大小的面積上集成數(shù)十億個晶體管。但是在很多需要考慮成本而無須考慮速度的場合下，它卻有著廣泛的用途。預(yù)計最早在2012年初，這種印刷電路芯片就會開始在玩具和游戲中出現(xiàn)，還有像合成語音設(shè)備、用于控制安全氣囊打開的汽車座椅感應(yīng)器等也會用到此類芯片。雖然印刷電路元件和傳統(tǒng)的硅電子元件相比速度較低，但是對于控制氣囊這樣的事情來說，其速度是足夠快的。

?

　　這款顯示器是由PARC在一塊柔性塑料薄片上制作的印刷有機半導(dǎo)體制成的，其成本比傳統(tǒng)顯示器便宜了很多。

　　Ernst預(yù)計，大約在2015年，這種印刷電路就會在一些非常有趣的場合出現(xiàn)，例如不用時可以卷起來的柔性電子書，或者帶太陽能電池纖維的衣物，這種衣物可以給音樂播放器或者手機電池充電。市場分析公司IDTechEx預(yù)測，這種柔性印刷電路設(shè)備的銷售將會從2010年的10億美元增長至2016年的450億美元。

　　IBM的Guha也看到了印刷電路的美好前景。“只要在制作電子元器件時不再需要清潔車間，其成本就會大幅下降。低成本、環(huán)境稍差一些的生產(chǎn)環(huán)境對于很多用途來說已經(jīng)夠好了，這種環(huán)境下生產(chǎn)出的電路同樣擁有可以接受的質(zhì)量。”