材料科学概论结业论文_国学概论结业论文
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纳米技术在计算机中的应用
姓名：刘跃坛
单位：长江大学计算机科学学院 荆州中国 434023 【摘要】如今，计算机工业无处不充斥着纳米技术的身影，给我们印象最深的莫过于微处理器等半导体芯片的制造方面。它的出现极大地推动了计算机的发展，即使如此，在未来几十年内计算机制造领域依然会遇到瓶颈。本文介绍了纳米技术的发展历程、在计算机微处理器、磁存储、燃料电池等方面的应用以及纳米技术研发的突破性进展。“未来的时代将是纳米的时代”。展望纳米技术的前景，它有望又一次改变计算机工业。【关键词】计算机；纳米技术；应用
（引文）随着纳米技术的发展，纳米技术在各行各业都得到了广泛的应用。我们在航空、航天、机械、汽车、船舶、石化、医疗、食品等许多领域都可以看到纳米技术的身影，很多新材料和新名词也应运而生，比如纳米陶瓷、纳米金属、纳米塑料、纳米机械以及纳米计算机。目前各国都加大了对纳米技术新产品的研发力度，力争想在这一高新技术领域取得竞争优势。许多国家都把研究纳米技术和开发纳米技术新产品作为在未来世界高科技产品竞争中的重要手段。美国制定了纳米技术战略，与21世纪信息技术战略并列为最优先研究开发的重点；日本政府在其“2011年度科学技术振兴重点指针”中把纳米技术列为重点；西欧对纳米技术的投入已达数亿美元，还将纳米技术列为欧盟2002-2006年研发科研框架计划。在我国，纳米技术、纳米存储器件、纳米冰箱、纳米洗衣机更是大出风头。有人说，我们处在一个纳米的时代，纳米技术将改变人类的未来。
我们无从展望纳米技术的辉煌远景，但就纳米技术给计算机带来的重大变革还是有目共睹：速度更快的处理器、图形芯片，容量更大的磁盘、光盘以及未来的存储技术，进展神速的燃料电池技术，甚至是取代硅计算机的下一代计算机。纳米技术在这些领域扮演了重要的角色，并深刻影响到计算机工业的发展方向，现在，我就向大家介绍计算机领域的纳米技术。
在计算机系统中，最先让我们接触到纳米概念的或许就是微处理器，确切的说，应该是包含微处理器、图形芯片在内的所有半导体芯片。我们知道，目前的半导体芯片都是大规模集成电路，它们无一例外地使用了仙童公司发明的“平面处理集成电路制造技术“，集成电路的平面处理技术可以简单作如下归结：首先将具有半导体性质的杂质扩散到高纯度硅片上，然后在掩模上绘好晶体管结构，用照相制版的方法加以缩小，将结构显影在硅片表面的氧化层，再利用光刻法去掉不需要的部分。这一系列流程被称为扩散、掩模、照相、光刻，整个过程也被称为“平面处理技术”，该技术的发明彻底改变了半导体工业，使制造出含有大规模硅晶体管的集成电路芯片在技术上成为可能。之后因特尔、摩托罗拉、IBM、西门子、台积电、联电、富士通、AMD、三星、现代、美光在内的所有半导体芯片制造商，所用的无一例外是此项平面处理技术，完全可以说，以计算机为代表的现代信息产业是建立在平面集成电路技术的基础上的。而这个领域的技术提升是极其快速的，摩尔定律便是最有代表性的阐述：“每隔18个月，半导体芯片的晶体管规模将增加一倍”。那么，业内如何在相同面积的硅芯片上容纳下更多的晶体管呢？答案就是采用更加先进的半导体制造工艺。
衡量制造工艺的基准就是“线宽”，它是指芯片内晶体管连接导线的宽度，线宽指标取决于光刻机所采用紫外线的波长———紫外线波长越短，在一定尺度上干涉和衍射的现象就越不明显，晶体管可以达到的线宽也就越小。而线宽越小，晶体管及导线的尺寸也就随之缩小，晶体管密度也就获得了提高，芯片自身的功耗也会得到降低，可以工作在更高的频率上。另外，由于晶体管密度提高，同样规模的半导体芯片的面积减小，一块硅晶圆上可以生产数量更多的芯片——简单点说，线宽更小的先进工艺不仅有助于提高芯片的性能，还可以降低成本，正是由于这两方面的因素，使得所有半导体制造商无一不竭尽所能来降低线宽。上个世纪90年代，微处理器的线宽达到了零点几微米，相当于几百纳米，此时的线宽称不上纳米尺寸，只能说是微米级别,也正因为如此，半导体芯片又一次被称为微电子芯片。在Pentium Ⅱ时代。半导体的线宽进一步降低到0.25微米，CPU的频率提升至400MHz，晶体管规模大约为750万个。之后因特尔的PentiumⅢ芯片达到了0.18微米，频率到了1GHz。我们可以看到，大概1年半的时间芯片的线宽会缩小一个等级，晶体管规模会翻倍，芯片性能提升。
半导体制造真正进入纳米时代就在2004年，因特尔率先实现的90纳米工艺（0.09微米）可以说是一次飞跃，90纳米工艺的引入，可以让半导体芯片的晶体管规模超过2亿个。频率达到4GHz，这是一个新的里程碑。最先受益的应该是微处理器，紧随其后的是图形芯片，接下来是内存芯片。而到2006年，我们看到了65纳米工艺的出现,之后是45纳米、30纳米。那么，半导体芯片的线宽可以照这样的速度无限缩小下去吗？答案是否定的，因为我们很快就会遇到原子尺度的限制——当线宽与原子尺寸接近的时候，半导体芯片就会从内部崩溃，原子运动造成的干扰导致晶体管之间的连接导线功能失常，芯片无法正常运作。更要命的是，这个难题根本无法通过任何技术改进加以解决，半导体芯片的线宽不可能只有几个原子的厚度，换句话说，以硅半导体芯片为基础的计算机工业在未来的十来年内就要遭遇这样的严峻问题，除了另辟蹊径就别无解决之道，也就是说，如果我们无法找到新的道路，计算机工业将不可能再获得什么进步。
面对原子尺度的限制，最有希望的解决办法还是纳米技术。不过这里指的是新型的纳米材料：碳纳米管。它目前是硅晶体最有希望的接班人。
早在1991年，NEC公司研究人员就用电子显微镜观察石墨阴极沉淀物时候发现，在这些沉淀物中存在着一些由石墨碳原子层卷曲成的铁丝网状碳管，管的直径只有几个纳米到几十个纳米，而这样的结构此前没有过记录，该结构被称为“碳纳米管”。从尺寸上来说，碳纳米管相当于人头发的百万分之一，相当于目前硅晶体管的五百分之一，但是它的结构强度比钢铁还高10倍。当然碳纳米管取代硅晶体管并非因为这个，而是其奇妙的电学特性：管壁卷曲结构的不同可以让碳纳米管成为一个绝缘体、半导体、良导体，具有与硅材料相似的特性。理论上说，以碳纳米管代替硅晶体管完全可以实现。而且可以预知，利用碳纳米管制造电脑芯片，不仅运算速度将大幅提高，自身的尺寸也会大大缩小，功耗大幅降低，集成度更高。
目前，许多研究机构从事了相关研究，不过离实用化最近的成果来自IBM公司。我们知道，所有的半导体硅芯片的逻辑电路都是由与、或、非等逻辑门组成，若要利用碳纳米管制造芯片，就必须实现这三个逻辑门。早在2001年IBM就宣布成功制造出了碳纳米管结构的“非”门，在2002年5月，IBM又宣布自己的最新成果，制造出了迄今最快的碳纳米管晶体管，速度比同期最先进的硅晶体管还要快很多。对此，IBM研究中心负责纳米技术研发的主管表示：“一年前我们首次研制出一种基于纳米管的微型晶体管时，并不知道它的运行速度可以达到晶体管的两倍多。这种新型晶体管体积小固然是一个好特性，但是它最突出的特点是性能。”
从功能上说，碳纳米管取代硅晶体管已经毫无问题，但是是否能实现实用化还取决于如下因素：其一，是否可以低成本大批量生产符合要求的碳纳米管；其二，能否像制造硅芯片一样制造出包含数十亿碳纳米管的碳纳米芯片。对于第一个问题，目前科学界已经取得很多进展——1996年，诺贝尔化学家得主Rachard E.Smalley采用金属钴作为催化剂，使得碳纳米管能够以绳状方式成簇出现，但是它的缺陷就是最后的生成物多了多余的金属管道。后来IBM宣布这一问题已解决：IBM在纳米管制造过程中以硅代替钴作为催化剂，批量制造出符合要求的单壁纳米管。照这样的速度看，实现碳纳米管量产并不是什么大困难。不过，要制造出复杂结构绝非易事，业界必须找到类似大批量制造硅芯片的技术才行，而这方面的工作几乎还是一片空白。考虑到硅导体工业还有10到20年的生命期，我们还是有足够时间去解决剩余的技术问题。
如果说在半导体领域，纳米只是一个线宽代名词，而在硬盘为代表的磁存储领域，纳米技术早已得到了应用。大家都知道，磁盘是利用磁颗粒的磁性来记录数据，由于物理尺寸的限制，硬盘的盘面数量和盘面大小几乎已经标准化，这样若是要提升硬盘容量，唯一的着眼点就是努力提高磁区的存储密度——对应在磁盘技术上，就是说盘面上的磁颗粒必须必须变得越来越小。但是，磁颗粒同样不能无限小下去，原因并非是原子尺寸的限制，而是其稳定性，我们知道，任何磁体受热会产生磁性减弱的现象，磁颗粒越小会使得读写过程升温更加明显。当温度升高至某个临界值，该磁体的磁性会完全消失，这种磁波动现象肯定会减弱磁头对信号的感应，倘若信号减弱到无法识别的地步，那么磁盘存储的数据就可能在读取时候出错或者丢失——这就是“超级顺磁”
IBM最终找到了绕过超级顺磁的方法——在盘面上扩充磁层。我们称之为AFC Media技术。在奇妙的纳米钌元素层的帮助下，IBM成功的在一个磁面做出了多个磁存储层，该元素层不会让两个磁面间的磁场产生干扰，自然不会干扰数据存储，得益于该技术，IBM突破了每平方英寸100GB的磁存储密度的限制。尽管磁存储密度已经提高了很多，但要靠AFC实现每平方英寸TB等级的高密度还是很困单的。在这方面，希捷公司最新的研究值得赞赏，它的SOMA技术让磁颗粒尺寸缩小到3纳米级别，让未来的磁盘可以实现每平方英寸50TB的惊人存储密度，那么，SOMA技术是如何实现这一切的呢？我们都知道，温度对磁盘的磁性影响很大，我们在追求高密度的时候也应该考虑到材料是不是具有很强的热稳定性。而FePt就是同时具有这两种特性的新一代磁存储材料。它对温度很不敏感，即使在高温条件下也依然可以保持很好的磁性，只不过此时活性较高而已。另外，这种材料可以自动组成表面均匀、排列整齐的磁颗粒阵列，制造上很容易实现，由于不需要考虑顺磁现象，FePt颗粒可以无限的小下去，这就会带来磁存储的不断提升。
在针对笔记本电脑开发的燃料电池身上，我们也可以看到纳米科技的身影。与同重量的锂电池相比，使用甲醇的燃亮电池可以产生比它多10倍的能量，因此被人视为大幅延长电子设备续航时间的关键。
燃料电池的基本燃料是氢和氧。即由电化学反应方式实现氢和氧的结合，同时将化学能直接转变成电能，它其实是氢和氧进行冷燃烧释放能量的过程。不过，这个过程必须借助电解质和催化剂进行——在针对便携式电子设备的燃料电池方案中，所用的电解质多为甲醇，催化剂则是金属铂。如果要让电池输出更多的电能，就要求甲醇反应得越强烈，而这取决于铂催化剂与甲醇接触面的多少。铂颗粒越小，接触面积越大，甲醇反应就越激烈，燃料电池的输出功率就越大——NEC、日立就是这方面的代表者。
NEC的燃料电池方案使用的是一种很独特的“碳纳米突”催化剂结构，所谓碳纳米突，实际就和前面介绍的碳纳米管类似，但是功用大不相同——碳纳米突的作为金属铂微粒的载体。由于碳纳米突材料表面具有纳米级的微细结构，可以让5纳米直径以下的铂微粒可以均匀扩散，催化剂的表面积大大增加，这样是电池反应变得激烈，释放了更多的电能——借助这项技术，NEC可以实现每平方厘米50MW的输出功率密度，而它最终的目标是将这个数字翻一倍。
和NEC不同，日立借助的是低纯度的纳米管。日立将碳纳米管的部分碳原子置换成氮、硼之类的杂质，日立将它称为“杂质纳米碳”。据透露，这种杂质纳米碳结构可以更有效提高催化剂的微细度，加上日立将铂微粒的直径从原来的10纳米降到了2纳米的级别，铂微粒与杂质纳米碳结合得更加紧密。而由与接触面的扩大，燃料电池的输出功率也随之提高。
虽然碳纳米管可以让电脑芯片获得更好的性能，但是投入研发的却只有IBM等为数不多的企业，芯片工业的霸主因特尔和AMD并没有参与，这使得整体水平提高缓慢，我们要真的看到这种高性能的芯片或许要等上几十年或更久；希捷似乎让大家在磁存储领域看到了希望，但是FePt颗粒制造过程中不会形成环形磁道结构，也就是说无法真正应用到传统的硬盘上。
未来的时代将是纳米的时代，这句话对于计算机技术同样适用：电脑芯片要求获得更高集成度和更高的工作频率，纳米尺度线宽的先进制造工艺不可或缺。而当极限来临之后，纳米技术再次扮演救世主的角色，碳纳米管将成为半导体硅片的接班人；在磁存储领域，纳米技术同样举足轻重，未来的磁存储密度的关键可以说完全在于该领域纳米技术的进展，我们乐于看到希捷SOMA技术将FePt磁颗粒的尺寸降到了3个纳米，届时每平方英寸50TB的惊人磁存储密度将成为现实；在燃料电池领域，纳米技术也是地位关键。失去了纳米技术，计算机工业将无以存在，也许此前我们关注的对象就是单个部件，但并不能因此疏忽。
【参考文献】“计算机中的纳米技术”
《个人电脑》（期刊）2004年8月2日期
