請想象一下這樣一個世界：各種電子設(shè)備可以自己充電，音樂播放器可以終其壽命不停地播放歌曲，電池可以自充電，芯片可以實時改變其處理能力等等。根據(jù)美國各大實驗室正在研究的項目來看，所有這些事物并非沒有可能，而是極有可能。

“未來五年對于電子學(xué)來說將會是一段非常令人激動的時期，”美國商業(yè)部所屬國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)半導(dǎo)體電子學(xué)分部的主任David Seiler說?！敖裉旌芏嗫瓷先ハ袷遣恢呺H的幻想，明天都有可能變成司空見慣的事物?！?BR>
NST的David Seiler：今天很多不著邊際的幻想很快就會變成現(xiàn)實。

本文將帶領(lǐng)你去漫游一下未來的電子世界。其中的一些概念聽起來很像夢幻，還有一些是期待已久但還未實現(xiàn)的概念，不過它們都有一個共通之處，那就是它們?nèi)家呀?jīng)在實驗室中進行了演示，已經(jīng)有望在未來五年左右的時間內(nèi)成為商用產(chǎn)品。

本文共分兩大部分，第一部分主要講述芯片級的發(fā)展，處理器傳輸數(shù)據(jù)不再使用導(dǎo)線連接的電路，而是使用激光，新材料的出現(xiàn)可能會讓傳統(tǒng)的硅材料變得一文不值。這些技術(shù)可以為大量新型的創(chuàng)新產(chǎn)品提供構(gòu)建模塊，而其中的一些技術(shù)甚至可能是我們今天根本無法想象的。

第二部分將會講述關(guān)于接入、電源與控制領(lǐng)域的五大創(chuàng)新技術(shù)。

沒有導(dǎo)線的芯片：激光連接

如果用顯微鏡仔細(xì)查看任何一塊微處理器就會發(fā)現(xiàn)，其中有數(shù)百萬條極細(xì)微的導(dǎo)線在連接每個有源元件。而在微處理器的表面之下，還有更多的導(dǎo)線存在。麻省理工學(xué)院微光子中心的一位研究人員Jurgen Michel希望用快閃鍺(Ge)激光器完全取代這些導(dǎo)線，用紅外線來傳輸數(shù)據(jù)。

Michel解釋道，“當(dāng)處理器的核與元件越來越多時，提供內(nèi)部連接的導(dǎo)線就成了阻礙數(shù)據(jù)連接提速的障礙。我們使用光子而非電子，可以讓連接變得更容易，更快速。”

利用光速的光子來傳輸數(shù)據(jù)，Ge激光器傳輸位和字節(jié)的速度要比通過導(dǎo)線傳輸?shù)碾娮涌?00倍，這就意味著芯片各核心與其內(nèi)存之間的關(guān)鍵連接不會再拖其他元件的后腿。恰如電話網(wǎng)絡(luò)的光纖通信要比前一代的銅纜更高效一樣，芯片中的激光會讓計算超高速運轉(zhuǎn)。

麻省理工的這套系統(tǒng)最妙的部分是，在每個處理器內(nèi)部不再需要埋設(shè)細(xì)微的導(dǎo)線。而是用一系列隱秘的隧道和洞穴構(gòu)成十字交叉網(wǎng)絡(luò)來傳輸光脈沖;而微小的鏡面和感應(yīng)器則用來中轉(zhuǎn)和解釋數(shù)據(jù)。

這是傳統(tǒng)的硅電子與光學(xué)元件的混合——也叫做硅光子技術(shù)，這種技術(shù)可以讓計算機變得更綠色。因為激光器要比導(dǎo)線更省電，產(chǎn)生的熱量也更少。

“光電子可以說是一個圣杯，”Seiler稱?！八卣沽穗娮訉W(xué)，也是降低電源消耗的極好辦法，因為我們不再有發(fā)熱的導(dǎo)線了?！?BR>
2010年2月，Michel與其同事Lionel Kinerling和Jifeng Liu成功地研制并測試了一塊帶有Ge激光數(shù)據(jù)傳輸器的功能電路。這塊芯片的傳輸速度超過了每秒Tbit，比當(dāng)今最快的導(dǎo)線連接芯片速度快了兩個量級。

這塊芯片是利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體處理技術(shù)再加上一些其他附件制成的，所以Michel據(jù)此認(rèn)為向激光連接芯片的過渡可能會在下一個五年中出現(xiàn)。如果進一步的測試取得成功的話，麻省理工學(xué)院將會批準(zhǔn)立項，這種芯片就有可能在2015年左右進入商用階段。

對這種芯片的需求是前所未有的。因為到了2015年，極有可能會在計算機芯片上出現(xiàn)64顆獨立的處理內(nèi)核，每個內(nèi)核都可以同時工作?！叭绻脤?dǎo)線連接這些內(nèi)核那肯定是死路一條，”Michel稱。“而利用鍺激光器來連接這些內(nèi)核卻存在著巨大的可能性和回報率。”

新奇的電路：憶阻器

假如你的MP3已經(jīng)裝滿了曲子，而你覺得每次要刪掉一只曲子才能下載新的曲子就像是在進行一次文化謀殺的話，那么憶阻器技術(shù)就會幫你的大忙。

這是自晶體管出現(xiàn)以來的一種全新的電子器件，可以說是一種比閃存更快、更耐用，也更便宜的替代品。其存儲容量是閃存的兩倍，可以有足夠的空間儲存下從倫納德·伯恩斯坦『美國作曲家(1918-1990)——譯者注』到Lady Gaga的所有樂曲。

“如果我們想要重新設(shè)計今天的計算機技術(shù)，那就應(yīng)該使用憶阻器內(nèi)存，”惠普實驗室量子科學(xué)研究小組的高級研究員兼負(fù)責(zé)人R.Stanly Williams說?！皩τ谖磥淼碾娮訉W(xué)而言，這是一種非常重要的架構(gòu)。”

憶阻器，實際上就是帶內(nèi)存的電阻，最早是由加州大學(xué)伯克利分校的教授Leon Chua發(fā)明的，但是惠普實驗室的憶阻器原型卻直到2008年才進行過公開演示。

為了構(gòu)建其憶阻器，惠普使用了二氧化鈦和鉑金的疊壓;在電子顯微鏡下看，它們就像是一系列長長的平行山脊。而在表層下面是另一層與其成直角的相同結(jié)構(gòu)，從而形成了一個類似網(wǎng)格的陣列。

Williams稱，“你可以把它想象成一系列只有2到3納米長的管子?！?1個納米是1米的10億分之一，粗略地講相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的萬分之一)關(guān)鍵在于任意兩條相鄰的導(dǎo)管可以用表層下的一個電子交換器來連接，從而生成一個內(nèi)存單元。通過調(diào)整導(dǎo)管兩端的電壓，科學(xué)家們便可打開或者關(guān)閉微型電子交換器，從而像傳統(tǒng)的閃存芯片那樣存儲數(shù)據(jù)。

這些叫做電阻式RAM(ReRAM)的芯片大致可儲存比同樣面積大小的閃存芯片多兩倍的數(shù)據(jù)，而其存取速度卻要比閃存快上1000倍，而且其反復(fù)讀寫次數(shù)可達(dá)百萬次以上，是閃存的10倍。ReRAM的特殊優(yōu)勢還在于，其讀寫速度相當(dāng)，而閃存寫數(shù)據(jù)的時間則要比讀數(shù)據(jù)的時間長很多。

惠普與韓國的Hynix公司已經(jīng)在聯(lián)手開發(fā)可批量生產(chǎn)的ReRAM芯片，這些芯片可用于各種小型設(shè)備，例如音樂播放器(可存儲TB字節(jié)的音樂)、視頻播放器和電子書等。此類芯片預(yù)計會在2013年的某個時候上市。

ReRAM還可取代電腦中的DRAM。由于其所具有的不揮發(fā)性質(zhì)，ReRAM即便在系統(tǒng)關(guān)機或者斷電時，其儲存的內(nèi)容也不會消失，這是和DRAM不同的。事實上，Williams甚至認(rèn)為，ReRAM可能會開啟一個所謂即時計算的時代。要知道，今天的電腦即便沒有完全關(guān)機，只是進入睡眠狀態(tài)，要想喚醒它訪問數(shù)據(jù)也需要數(shù)秒到一分鐘的時間。而配備了ReRAM的設(shè)備，無論何時開啟設(shè)備皆可即時響應(yīng)。

惠普實驗室的R. Stanly Williams：“我們能夠在10年內(nèi)研制出Pb傳輸速率的芯片?！?