納米計算機

“納米”是一個微小的計量單位，一個納米等於10^-9米，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術是從20世紀80年代初迅速發展起來的新的科研領域，最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，製造出具有特定功能的產品。

納米技術正從MEMS（微電子機械系統）起步；把感測器、電動機和各種處理器都放在一個硅晶元上而構成一個系統。應用納米技術研製的計算機內存晶元，其體積不過數百個原子大小，相當於人的頭髮絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。

納米計算機的成功研製已有一些鼓舞人心的消息；惠普實驗室的科研人員已開始應用納米技術研製晶元，一旦他們的研究獲得成功，將為其他縮微計算機元件的研製和生產鋪平道路。

首先，納米計算機是一種體積小、反應速度快的的計算機；納米計算機可以應用到微型機器人中。

的確，納米技術指明了二十一世紀計算機發展的未來。首先，專家們預測，在今後十年內，芯 片生產技術將達到極限。隨著晶元上集成的晶體管數量越來越接近極限，集成電路的性能將越來越不穩定。其次，經濟因素也將使晶元製造業走到盡頭。據測算，到2010年，建造一個大型晶元生產廠將需要近500億美元。如此龐大的造價連英特爾公司也不堪負擔。一個晶元生產廠的造價大約是20億美元。

相比之下，採用納米技術生產晶元成本十分低廉，因為它既不需要建設超潔凈生產車間，也不需要昂貴的實驗設備和龐大的生產隊伍。只要在實驗室里將設計好的分子合在一起，就可以造出晶元。晶元製造商將因此而節省數百萬美元的生產成本，同時將晶元的價格將急劇下降，以至於日用電子設備－－甚至玩具－－都能夠採用功能強大的微處理器。

威廉斯對自己的研究項目信心十足。他表示，只要實驗室的同仁們和加州大學洛杉磯分校、伯克利分校的科學家們密切合作，一定能在今後兩年之內研製出能夠容納16個位元組（相當於16個英語字母）數據的分子內存晶元。這種內存晶元上有由納米級導線組成的柵格，在每個導線相交的節點上有一個分子“開關”。這些開關將決定信息在柵格中的存儲和通信線路。最引人注目的是這種微型導線柵格和開關可以一同放置到化學溶液中，讓開關自動粘附到柵格上，從而省去昂貴的生產過程。

這個研究小組在美國《科學》雜誌上發表了一篇研究報告，討論納米技術在計算機生產上應用前景。下個月，這個小組將在《科學》雜誌上發表一篇後續報告，闡述他們的最新研究成果。上個星期，威廉斯的研究小組獲得了美國國防尖端研究項目署（DARPA）提供的一筆400萬美元的科研資金。

作為在納米尺度範圍內，通過操縱原子、分子、原子團或分子團使其重新排列組合成新物質的技術，納米科技的研究發展，涉及了現代物理學、化學、電子學、建築學、材料學等領域，受到了各發達國家的高度重視。在美國國內，各著名高等學府，如賓州大學、耶魯大學、哈佛大學和斯坦福大學都有研究小組在從不同的角度進行研究。

但是唯有惠普公司與加州大學兩所分校的合作項目贏得了DARPA的青睞。DARPA項目經理比爾·華倫說：“他們的研究成果最有價值，給我留下了深刻的印象。”他預計威廉斯的研究小組只需要不到兩年的時間就能完成這個課題的研究，並最終向世界證明分子也能計算。

在人們所認識的微觀世界，存在一個十分引人注目的微小體系，即納米體系。納米是長度計量單位，一納米等於10-9米。打個比方：1納米與一個乒乓球相比，相當於1個乒乓球與地球相比。科學家從60年代開始，把納米微粒作為研究對象，探索納米體系的奧秘。從70年代末到80年代初，科學家們對納米微粒結構、形態和特性進行了比較系統的研究。1989年，IBM研製成功了第三代表顯微鏡－掃描隧通顯微鏡，使人們終於得以一窺原子的真面目。同年，IBM公司的科學家實現了用單個原子排列拼寫出“IBM”商標，以後又製造出了世界上最小的算盤，算盤的珠子是用直徑還不到一毫微米的分子做成的；康奈爾大學的研究人員製作的六弦吉他，大小約相當於一個白血球。

威廉斯從在AT&T的貝爾實驗室開始，就從事納米技術研究，歷時21年，其間他還在加州大學任教15年。他表示，他和同事們將不僅僅滿足於分子內存的研究，他們的目標是製造出一台完整的分子計算機。他說：“人類一定能製造出比今天的計算機快10億倍的計算機。”據德國《明鏡》周刊報道，美國加利福尼亞大學伯克利分校以及斯坦福大學的科學家成功地將納米碳管植入矽片中。

計算機使用的硅晶元已經到達其物理極限，體積無法太小，通電和斷電的頻率無法再提高，耗電量也無法再減少。科學家認為，解決這個問題的途徑是研製“納米晶體管”，並用這種納米晶體管來製作“納米計算機”。納米計算機的運算速度將是硅晶元計算機的1．5萬倍，而且耗費的能量也要減少很多。這項研究的成功朝著製作超快速納米計算機的方向前進了一步。

2013年9月26日斯坦福大學周三宣布，人類首台基於碳納米晶體管技術的計算機已成功測試運行。該項實驗的成功證明了人類有望在不遠的將來，擺脫當前硅晶體技術以生產新型電腦設備。英國學術雜誌《自然》已在刊物中刊登了斯坦福大學的研究成果。

“這是有史以來人類利用碳納米管生產出的最複雜的電子設備。”斯坦福大學項目研究小組出版論文聯合作者馬克斯·夏拉克爾（Max Shulaker）表示，“關於（納米技術）這個領域，輿論有很多天馬行空的渲染。但人們卻從來沒有真正確定，這個技術原來是可以像現在這樣，以一個如此實際、實用的方式被利用的。”

斯坦福大學的研究成果基於來自包括IBM等數家科研機構的技術成果之上。碳納米管是由碳原子層以堆疊方式排列所構成的同軸圓管。該種材料具有體積小、傳導性強、支持快速開關等特點，因此當被用於晶體管時，其性能和能耗表現要大幅優於傳統硅材料。

夏拉克爾團隊打造的人類首台納米電腦實際只包括了178個碳納米管，並運行只支持計數和排列等簡單功能的操作系統。然而，儘管原型看似簡單，卻已是人類多年的研究成果。

隨著半導體晶元越做越小，人們擔心，傳統的摩爾定律（晶元上的晶體管密度每隔一年半就翻一倍）將走到盡頭，而告別傳統硅晶元的世界首台碳納米管計算機旋即橫空出世，這不僅意味著摩爾定律將會延壽，另外“硅”作為計算時代的“王者”的地位或將不保，矽谷的未來可能不再“姓硅”。不管怎樣，計算設備體積越來越小，價格越來越便宜，性能越來越強大的趨勢不會改變，對廣大消費者來說都是利好消息。