关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于发现和塑造我们当今世界的想法的具有影响力的故事。
在构建越来越小的微芯片的竞赛中，研究人员十多年来一直在尝试一种捷径技术，可以将器件缩小到以前无法实现的尺寸。与使用光刻技术蚀刻半导体来制造电路和处理器（一种受所用光波长限制的自上而下的工艺）不同，自下而上的制造可以通过将纳米级构建块串联成功能器件，从而产生更小的处理器。
在 1990 年代末和 2000 年代初取得一系列令人兴奋的成果之后，随着新方法遇到一些根本性的障碍，情况变得平静了一些。“自那时以来，在使用合成纳米级组件方面，并没有取得太大的进展，”查尔斯·利伯说，他领导着哈佛大学的纳米技术研究小组。利伯是先驱者之一，他们的工作使纳米电子电路在 2001 年的《科学》杂志上获得了“年度突破”荣誉。但是，该领域未能取得超出基本的一次性演示设备的进展，这使得一些观察家失去了热情。利伯说，部分原因是普遍缺乏可重复性，“我在半导体行业共事过的很多人都变得非常怀疑——而且理由很充分。”
利伯和他在哈佛大学以及弗吉尼亚州麦克莱恩市 MITRE 公司的同事们现在开发出一种技术，可能在一定程度上克服了这一障碍。研究人员设计并构建了相对较大的纳米线晶体管阵列，这些阵列充当可编程电路，可以串联成微小的低功耗处理器——这种可扩展的方法可能会重新燃起人们对自下而上电路的兴趣。该小组在2 月 10 日出版的《自然》杂志上描述了这一进展。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
研究人员以交叉模式交织半导体纳米线和金属电极，从而在每个交叉点或节点处产生一个微小的晶体管。单个节点可以在有源晶体管和无源互连之间来回切换，这使得研究人员能够将 56 个晶体管节点编程到一个用于二进制加法的简单逻辑电路中，他们说这比其自下而上的前代产品的复杂性高出三倍以上。为了展示该技术的灵活性，利伯和他的同事随后重新编程了相同的电路以执行不同的逻辑运算。而且该原型的功能还不止于此，在一个研究人员称之为逻辑瓦片的单个设备上的两个链接阵列之间分布着 496 个可配置节点。
至关重要的是，编程为形成电路的瓦片具有足够的电压增益来驱动另一个瓦片上的电路，因此一个逻辑瓦片的输出可以成为另一个逻辑瓦片的输入。互锁逻辑瓦片将形成一种处理级联，这将大大提高此类设备的数字处理能力。
“确实有可能获得可重复性水平，我们可以开始考虑制造非常复杂的电路，甚至处理器，”利伯说。他在 MITRE 的同事对用于微型机器人应用的微型处理器感兴趣，但嵌入式传感器和其他医疗设备也有许多可能的用途。即使逻辑瓦片在性能上无法与传统的自上而下的处理器竞争，但在某些领域，紧凑性和低功耗将具有吸引力。
利伯说，在证明了逻辑瓦片概念的有效性之后，下一步是将几个瓦片连接在一起以形成一个小规模处理器。除此之外，瓦片必须从目前的 960 平方微米大幅缩小尺寸才能找到实际应用。但至少，这一进展可能有助于将研究工作重新导向曾经炙手可热的领域。“它应该会重新燃起人们对这个领域的兴趣——它肯定重新燃起了我的兴趣，”利伯说。“我真的认为我们可以继续推动它向前发展。”