未來的自組裝電腦晶片

你口袋中的手機，是由電晶體所驅動的，這些電晶體小到你無法想像：一根人類頭髮的寬度就可以排出三千個電晶體。但要在像是臉孔辯識、虛擬實境等領域若要跟上創新，我們就需要讓我們的電腦晶片有更強大的計算能力。然而我們快到盡頭了。在這場想法前衛的演說中，科技開發者卡爾 · 史克喬奈曼德介紹了一種全新的晶片製造方式。史克喬奈曼德說：「這可能是分子製造新紀元的黎明。」

以前，電腦的大小跟
一個房間一樣大。

但現在已經小到可以放到
口袋裡、戴在手腕上，

甚至可以植入你的身體中。

多酷啊？

這之所以能夠實現，
是因為電晶體的微型化，

電晶體是電路中的小型開關，

位在電腦的心臟部位。

微型化能成功，也是經過數十年

科學和工程的的發展及突破，

還有數十億美元的投資。

但，它給了我們非常大量的計算、

非常大量的記憶體，

以及我們現今大家都體驗到
且很享受的數位革命。

但，壞消息是，

我們很快就要碰到數位路障了，

因為電晶體微型化的
速度正在減緩。

這個狀況發生的同時，

因人工智慧以及大數據，

我們的軟體還在持續不斷創新。

且我們的裝置經常要執行
臉孔辨識或是虛擬實境，

或甚至要在我們變化莫測
又混亂的道路上自動開車。

這很不可思議。

但，如果我們趕不上
我們軟體的胃口，

我們的科技發展就有可能
會達到一個點，

在這個點，我們用軟體能夠做的事

其實會受限於我們的硬體。

我們都遇過這樣的挫折：
老式手機或平板電腦

跑得又慢又辛苦，最後停下來，

因為裝在上面的軟體更新
和新功能帶來的負擔越來越大。

但不久前我們剛買來的時候
用起來還挺好的。

但飢渴的軟體工程師

隨時間吃光了全部的硬體能力。

半導體產業非常清楚這個狀況，

且在努力投入各種創意解決方案，

比如超越電晶體，採用量子計算，

或甚至在替代架構當中
使用電晶體，

比如類神經網路，

以製造出更穩健且有效率的電路。

但這些方法都要花相當的時間，

針對這個問題，我們真的期望
能有更立即的解決方案。

電晶體微型化的速度
之所以慢下來的原因

是因為製程的複雜度不斷增加。

電晶體以前是大型笨重的裝置，

直到以純晶體矽晶圓為基礎的

積體電路被發明出來。

持續發展了五十年後，

現在我們可以把電晶體尺寸

縮小到只有十奈米。

你可以把超過十億個電晶體

放入一平方毫米的矽當中。

更清楚來說，

一根人類頭髮的寬度是一百微米。

一個紅血球細胞，
基本上是看不見的，

寬度是八微米，

所以，一根人類頭髮的寬度
約可放十二個紅血球細胞。

但，相對之下，電晶體更小，

寬度只有一微米的一小部分。

大約兩百六十個電晶體排在一起

才等同一個紅血球細胞的寬度，

或者，三千個電晶體排在一起，
才等同一根人類頭髮的寬度。

現在就在你口袋裡的奈米科技
真的很不可思議。

明顯的益處是能夠

在晶片上放更多較小的電晶體，

此外，較小的電晶體
也是較快的開關，

且較小的電晶體也是
比較有效率的開關。

所以，這種組合讓我們可以

取得成本較低、性能較佳、
效率較高的電子產品，

讓我們現今可以享用。

要製造積體電路，

電晶體要一層一層打造

在純晶體矽晶圓上。

用極度簡化的方式來表示，

電路的每一項小特徵都會被投影

到矽晶圓的表面上，

記錄在光敏感的材料中，

接著透過光敏感的材料進行蝕刻，

在下方的各層留下圖案。

這些年來，這個流程
已經被大大地改善，

讓我們現今使用的電子產品
能有這樣的效能。

但，隨著電晶體的特徵
變得越來越小，

我們已經越來越接近

這項製造技術的實體極限。

做這種曝影的最新系統

已經複雜到

據稱每台機器的成本要超過一億美元。

半導體工廠有數十台這類機器。

所以，大家會質疑：
長期來看，這種方式可行嗎？

但，我們相信我們可以用完全不同

且更有成本效益的方式來製造晶片，

將分子工程以及模仿自然的方式

運用到我們奈米尺度的電晶體上。

如我前面說過的，傳統製造方式
是把電路的微小特徵

投射到矽上面。

但如果你去看積體電路的結構，

電晶體陣列，

許多特徵其實被重覆了數百萬次。

它是種高度週期性的結構。

所以，我們想要把這種週期性

應用到我們的替代製造技術。

我們想要用自組裝的材料，

來自然形成我們的電晶體

所需要的週期性結構。

我們用適當的材料，

由材料來做難做的精緻圖形，

而不是把投影技術
推到極限或極限之外。

在大自然的許多地方
都可以看到自我組裝的例子，

從脂質膜到細胞結構，

因此，我們知道它可以是個
穩健的解決方案。

如果它對大自然來說夠好了，
那對我們來說應該也夠好了。

所以我們想要把這種大自然本有的
穩健的自我組裝方法

用在製造半導體的技術上。

其中一種自組裝材料——

叫做嵌段共聚物——

含有兩個聚合物鏈，
長度只有幾十奈米。

但這些鏈痛恨彼此。

它們會互相排斥，

很像油和水，或是
我十幾歲的兒子和女兒。

（笑聲）

我們用蠻力將它們結合在一起，

由於它們彼此互斥，

所以就就形成了內建的阻撓系統。

有大批這樣的材料，有數十億種，

類似的材料試圖黏合在一起，

而與此同時，對立的材料
則試圖與彼此分開。

這系統內建著阻撓與拉力。

它會到處移動、蠕動，直到成形。

自然自組的形狀小到奈米級，

它有規律，有週期性，範圍很長，

正如電晶體陣列所需。

這樣我們就可以使用分子工程

來設計不同大小的不同形狀，

以及不同的週期。

比如，以一個對稱的分子為例，

在這個分子中，
兩個聚合物鏈的長度相近，

形成的自然自組結構

是一條很長且蜿蜒的線，

非常像是指紋。

而指紋線的寬度

和它們之間的距離

是根據我們聚合物鏈的
長度來決定的，

此外系統內建的阻撓程度
也是一個決定因子。

如果我們能使用不對稱的分子，

我們甚至可以創造出
更精緻的結構，

不對稱的意思就是
兩條聚合物鏈的長度明顯不同。

在這個情況下形成的自組裝結構，

比較短的鏈會在中心
形成一個緊實的球，

它的周圍則是較長、
對立的聚合物鏈，

形成一個自然的圓柱。

這個圓柱的大小

以及圓柱間的距離，即週期性，

同樣也是取決於我們
製造的聚合物鏈的長度，

以及內建的阻撓程度。

換言之，我們用分子工程

來自組奈米尺度的結構，

可以根據我們的設計來形成線條、
圓柱大小和週期不同的結構。

我們利用化學、化學工程，

將我們需要的奈米特性
製作在電晶體上。

但，自主組裝這些結構的能力

只能帶我們走到半路，

因為我們仍然需要
將這些結構放置在適當的位置，

而這些位置，就是我們希望
電晶體在積體電路中擺放的地方。

但我們能相對輕易地做到，

只要運用大範圍的指引結構，

將自組裝結構引導到

我們指定的固定位置，

迫使其餘的自組結構平行排列，

如此就能依照我們的建構方式
完成結構的組建。

比如我們想做一條
四十奈米長的細線，

很難用傳統的投影技術來製造，

但我們可以製造一個
一百二十奈米的結構引導通道，

用一般的投影技術就辦得到，

這個通道結構中會有

三條四十奈米互相對齊的線。

如此，材料才能完成
最困難的精緻曝影。

我們把這整個方法叫做
「引導式自組裝」。

引導式自組裝的挑戰在於

整個系統需要近乎完美地
符合我們要的排列方式，

因為結構中若有任何微小的瑕疵，

都可能會造成電晶體故障。

因為我們的電路上
有數十億個電晶體，

我們需要一個接近
分子等級的完美系統。

但我們需要用到非常精準的量測工具
才能達成這個目標，

從化學的清潔，

到半導體工廠小心處理這些材料，

到移除最小的奈米尺度瑕疵。

所以，引導式自組裝是種
讓人興奮的顛覆性新技術，

但它還在開發階段。

但我們越來越有信心可以真的

把它引入到半導體產業，

做為一種革命性的新製程，

且在接下來幾年就可以做到。

如果我們能做到，如果我們成功，

我們將能夠把電晶體的
成本效益繼續微型化 ，

繼續將計算能力大大擴展，

並帶來數位革命。

不只如此，這甚至可能是

分子製造新紀元的黎明。

這多酷啊？

謝謝。

（掌聲）