想象一下，一个能够为自己动力的电子设备，音乐播放器，持有一生的歌曲，自我愈合电池和芯片，可以在飞行中改变能力。根据美国研究实验室的发生，这些事情不仅可能，而且可能。
“未来五年将是电子产品的一个非常令人兴奋的时刻，”David Seiler说：半导体电子产品部门在盖瑟斯堡的商务部国家标准和技术研究所（NIST），MD。“今天似乎有很多事情似乎是偏远的幻想，但将开始是普遍的。”
在这个由两部分组成的系列文章中，我们将带您了解电子技术的未来。这些想法有些听起来很奇妙，有些只是老生常谈，但共同点是它们都已经在实验室里得到了证明，并有潜力在未来五年左右的时间里成为商业产品。
今天的故事专注于芯片级进步，从通过激光器而不是电线传输数据的处理器，而不是用新材料制成的电路，这些材料在灰尘中留下传统的硅子。这些技术可能是一个新的新产品和创新产品的建筑块，其中一些我们甚至无法怀孕今天。
无线芯片:激光连接
近距离观察任何微处理器，都会发现数以百万计的微细电线以各种方式连接其有源元件。深入到表面之下，可能会有五倍多的电线。尤尔根·米歇尔(Jurgen Michel)是马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院微光子学中心的研究员。他希望用闪烁的锗(Ge)激光器取代所有这些电线，这种激光器可以通过红外光传输数据。
“随着处理器的核心和部件越来越多，”米歇尔解释道，“互连线会被数据堵塞，成为薄弱环节。”我们使用光子，而不是电子，来做得更好。”
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Ge激光器能够以光速传输数据，它传输比特和字节的速度比通过电线传输的电流快100倍，这意味着芯片处理核心和内存之间的关键连接不会阻碍设备的其他部分。就像上一代光纤通信使电话通话效率更高一样，在芯片内部使用激光可以使计算机超速运转。
麻省理工学院的系统最棒的地方在于，它不需要在每个处理器内部埋有微型光缆。相反，芯片上有一系列纵横交错的地下隧道和洞穴，用来传输光脉冲;微型镜子和传感器传递和解释数据。
这种带有光学组件的传统硅电子的混合 - 一种被称为硅光子的练习 - 可以使计算机更加绿色。这是因为激光器使用的功率低于它们所替换的电线，并释放需要冷却的较少的热量。
“光电子是一个圣杯，”塞勒说。“它可以扩大电子产品的使用范围，而且是一种减少电力消耗的好方法，因为你不用所有那些电线充当空间加热器。”
2010年2月，Michel和他的合作者，Lionel Kimerling和Jifeng Liu成功创建并测试了一个包含GE激光数据转移的功能电路。芯片命中速度超过每秒T比特，或者比当今具有有线连接器的最佳芯片更快的两个数量级。
芯片采用电流半导体处理技术制造，具有一些小的补充，因此Michel认为将在未来五年内发生基于激光的连接的过渡。如果进一步测试成功，麻省理工顾法说，它将许可该过程;此类芯片可能左右可用。
需求从未如此。到2015年，很可能会有最多64个独立的处理核心的电脑芯片，每个都会同时工作。“用电线连接它们是一个死胡同，”米歇尔说。“使用锗激光连接它们具有巨大的潜力和大笔资金。”
新电路：忆失
如果您的MP3播放器填满了曲调，但每次删除歌曲时，您都觉得一个文化凶手，那么Memristor技术可能会及时到达。
自硅晶体管在20世纪50年代播出的场景中出现的第一个从根本上出现的新电子元件，忆阻器呈现更快，更耐用，潜在更便宜的闪存。闪光芯片的容量约为两倍，有足够的空间，从伦纳德伯斯坦到夫人加加夫人。
“如果我们今天要重新设计计算机技术，我们会使用忆阻存储器，”斯坦福大学量子科学研究(QSR)小组的高级研究员和负责人R.斯坦利·威廉姆斯(R. Stanley Williams)说生命值帕洛阿尔托的实验室，加利福尼亚州。“这是电子产品未来的基本结构。”
忆内 - 基本上是一个电阻器随着记忆 - 由加州大学伯克利教授莱昂·蔡教授，而是惠普实验室的第一次在1971年忆耳原型在2008年之前没有公开展示。
为了建立其忆反应器，HP使用二氧化钛和铂的交替层;在电子显微镜下，它们看起来像一系列长平行脊。在表面下方是以直角的类似设置，产生网格状阵列。
威廉姆斯说:“可以把它想象成一组侧面尺寸为2到3纳米的立方体。”(一纳米是一米的十亿分之一，大约是人类头发厚度的万分之一。)
关键是任何两个相邻的导线都可以在表面下方的电气开关连接，创建存储器单元。通过调整施加到立方体的电压，科学家可以打开和关闭微小的电子开关，存储像传统闪存芯片一样的数据。（见IEEE Spectrum的优秀6分钟的忘记指南有关Memristors如何工作的威廉姆斯的更多详细信息。）
对于电阻随机存取存储器，这些芯片可以将大约两倍的数据存储为闪存，但比闪存的速度快3000倍，与闪存认证的100,000相比，可以持续数百万的重写周期。奖金是，Reram的读写速度是可比的，而Flash需要更长的时间来编写数据而不是读取它。
惠普和韩国的海瑞士已组建大规模生产的Reram Chips这可以用于各种小型设备，例如可以容纳歌曲，视频和电子书的TB的媒体播放器。他们希望在2013年的某个时候看到市场上的第一个产品。
RERAM还可以在计算机中替换动态RAM。因为它是非易失性的，因为DRAM确实如此，RERAM不会失去其内容。事实上，威廉姆斯认为它可能导致即时计算的时代。即使当今的设备只是睡眠而不是完全关闭时，它也需要几秒钟到一分钟，以便在觉醒时访问存储的数据。但是用reram设备，你可以瞬间拿起你离开的地方。
更重要的是，Williams说，它可以在单个芯片中彼此顶部堆叠映射阵列。这可以创建3-D内存元素，以更好地使用芯片内的空间。而不是仅使用芯片的表面，这些内存元素可以深入构建到芯片中，在相同的物理卷中创造更多的内存。
“我们可以生产的层数没有根本限制，”威廉姆斯添加了威廉姆斯。“我们可以在大约10年内到达卑鄙筹码。”那是一百万千兆贮存空间，或足以容纳一年以上的高清视频在芯片上的指甲的大小。
NIST的塞勒说:“记忆电阻器的第一个应用很可能是内存，但它的应用远不止于此。”除了记忆，还有很多潜力。”
进一步在数字地平线上，也许20年左右，该技术可以重写基本的计算机设计。2010年，惠普研究人员发现了这一点存储器可用于逻辑计算除了存储。这意味着这两个功能理论上都可以在同一芯片中发生。
威廉姆斯说：“单个忆阻器可以取代少数其他电路，简化计算机的设计，制作和操作。”例如，他说，一个Memristor可以执行当前用于在处理器的缓存中创建单个静态RAM存储器单元的六个晶体管的工作。
威廉姆斯认为，甚至可能有可能与Memitristor技术创造一个人工神经康复，这可能会模仿大脑工作的方式。然而，在未来的几十年，如果可能的话。
IBM的物理科学部主任Supratik Guha表示，忆内肯定有权重写电子规则。但是，古河笔记，该技术仍然需要证明自己。“可能有潜力作为记忆元素，”他说。“但像任何其他技术一样，你需要在你跑步前走路之前爬行。”
换句话说，Memristor技术不会发生过夜。在存储器与DRAM或闪存中一样普遍存在，它将需要大量的演化和时间。
可变芯片：可编程层
从速度最快的处理器到最小的存储模块，如今几乎所有用于电子领域的芯片都有一个共同点:其有源元件位于制造芯片的硅材料中最顶尖的1%到2%。
随着芯片制造商垂直挤压越来越多的组件，这将改变。一些供应商，如英特尔，借助于粘合完成的芯片，而罗切斯特大学研究人员在内部逐层设计和建造了3-D电路层。两种方法都是非常复杂和昂贵的，观察IBM的Guha。
但是，如果你可以欺骗电路，让它根据需要自行重新排列，使它只在其他元件面前出现几层有源元件，那会怎样呢?这就是Tabula的Spacetime技术和ABAX芯片设计背后的理念。
ABAX采用可重编程电路，可根据需要改变其性能，而不是采用永久性蚀刻在硅上的多层硬线组件。该公司目前的产品提供多达8种不同的芯片层，可以在一眨眼的时间内快速更换。
Tabula的总裁兼首席技术官Steve Tieg说:“把它想象成一个八层楼的百货商店。”“你会乘电梯在不同楼层间穿梭，去购买不同的商品。”但Tabula并没有采用8个不同的实体楼层，每个楼层都有自己的内部安排和商品分类，而是采用了一种单层(或地板)的方式，可以根据需要自行重新配置。
Tieg补充说:“就好像你在电梯里，他们在里面重新安排楼层，用不同的产品创造不同的布局。”“从外面看，它好像有八层楼，但实际上只有一层。”
词汇表
外延:在另一晶体表面生长一薄晶层的过程，以使该晶层模仿衬底的结构。
锗：在元素的周期表中镓和砷中的一排和一排硅，锗（GE）用于光纤电缆。
石墨烯：石墨烯布置在蜂窝晶格中的单层碳，具有多种新颖的电子特性，例如电子的移动能力比硅更快。
Memristor：一种新型电子结构，将存储器与电阻相结合，该设备可以简化和加速电子产品的执行方式。
摩尔定律：由英特尔联合创始人戈登摩尔在20世纪60年代后期发布，它指出，每两年芯片上晶体管的密度大致翻倍，为更强大的芯片制作。
RERAM：电阻随机存取存储器由Memristor技术构建，可以更换闪存。
为了工作，芯片的重新编程电路是在仅80皮秒的下一系列分配和职责 - 比芯片的计算周期快1000倍。这样，芯片正在等待下一个命令时，可以在飞行中改变图层。
在真正的意义上，亚巴交付更少。用传统的半导体加工技术制造，塔格的ABAX芯片成本大致相同，以作为传统的制造。该设计仍然仅使用芯片的顶部表面，但单层是八个不同芯片的工作。根据TIEG的说法，该技术可以增加电路的密度双重，存储器和视频吞吐量可以高达3.5倍。
这个想法可能潜在于半导体中的新时代，其中单个芯片替换了几个或增加了能力，而无需额外的部件的成本和功耗。“虚拟化芯片的操作可以在效率和灵活性方面具有重要的回报，”NIST的Seiler说。“关键是它的编程方式。”
到目前为止，而不是在半导体业务的大枪上直接攻击，如处理器，图形和记忆，塔格集中在特殊用芯片上。这些电路是我们时间的工作母语，使无线路由器和手机塔设备等事情成为可能。