1975年，电子先驱戈登·摩尔 famously 预测，集成电路芯片的复杂性将每两年翻一番。制造技术的进步将允许芯片的晶体管不断缩小，因此电子信号处理信息所需的传播距离将更短。对于电子行业和消费者来说，摩尔定律（Moore’s Law）意味着计算机设备将不断变得更小、更快、更便宜。 感谢半导体设计和制造领域的持续创新，芯片在35年里一直非常接近这一轨迹。
然而，工程师们知道，他们会在某个时候遇到瓶颈。晶体管将变得只有几十个原子厚。在那个尺度上，基本的物理定律将施加限制。甚至在遇到瓶颈之前，就可能出现两个实际问题。将如此小而紧密的晶体管放置在一起，同时仍然获得高良率——可用芯片与有缺陷芯片的比例——可能会变得过于昂贵。而且，大量晶体管开关产生的热量可能会攀升到足以开始“烹饪”元件本身的程度。
的确，这些障碍在几年前就出现了。现在常见的个人电脑都响亮地宣传“双核”芯片——意味着两个小型处理器而不是一个——主要原因是将所需数量的晶体管封装到单个芯片上并对其进行冷却变得过于困难。相反，计算机设计师选择将两个或多个芯片并排放置，并对它们进行编程以并行处理信息。
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摩尔定律似乎终于要走到尽头了。那么，工程师们将如何继续使芯片更强大呢？转向替代架构和完善可以原子级组装的纳米材料是两种选择。另一种是完善处理信息的新方法，包括量子计算和生物计算。在接下来的篇幅中，我们将了解一系列进展，其中许多目前处于原型阶段，这些进展可能在未来二十年内保持计算产品在“更小、更快、更便宜”的道路上，这条道路为我们提供了很好的服务。
尺寸：跨越障碍
现在制造的最小商用晶体管只有 32 纳米宽——大约 96 个硅原子横跨。业界承认，使用数十年来不断改进的光刻技术，可能很难制造出小于 22 纳米的特征。
一种具有类似尺寸的电路特征但提供更强大计算能力的选择被称为交叉杆设计。交叉杆方法不是将所有晶体管都制造在一个平面上（就像汽车挤在拥挤的硅高速公路的车道上一样），而是具有一组在一个平面上平行的纳米线，这些纳米线与第二组与之成直角的导线交叉（两条垂直的高速公路）。在它们之间夹着一层分子厚的缓冲层。两组导线之间存在的许多交叉点可以像开关一样工作，称为忆阻器，它们像晶体管一样表示 1 和 0（二进制数字，或比特）。但是忆阻器也可以存储信息。这些功能结合在一起可以执行许多计算任务。本质上，一个忆阻器可以完成 10 或 15 个晶体管的工作。
惠普实验室已经制造出原型交叉杆设计，采用 30 纳米宽的钛和铂丝，使用的材料和工艺与半导体行业已经优化的材料和工艺类似。公司研究人员认为，每根导线可以小到 8 纳米。几个研究小组也在用硅、钛和硫化银制造交叉杆。
热量：冰箱或风扇
在一个芯片上有多达 10 亿个晶体管的情况下，消除晶体管开关时产生的热量是一项重大挑战。个人电脑有风扇的空间，但即便如此，每个芯片约 100 瓦的功耗也是它们可以冷却的最大功率。因此，设计师们正在设计一些新颖的替代方案。MacBook Air 笔记本电脑有一个由导热铝制成的时尚外壳，可以用作散热器。在 Apple Power Mac G5 个人电脑中，液体在加工到其处理器芯片底面的微通道中运行。
然而，流体和电子设备可能是一种冒险的组合，而且智能手机等更小巧的便携式设备根本没有管道或风扇的空间。英特尔领导的一个研究小组已经将碲化铋薄膜超晶格制造成封装芯片的封装。热电材料将温度梯度转化为电能，实际上是在为芯片本身制冷。
基于普渡大学的工作，初创公司 Ventiva 正在制造一种微型固态“风扇”，它没有移动部件，而是通过利用电晕风效应产生微风——与静音家用空气净化器利用的特性相同。一个略微凹陷的光栅具有带电导线，可以产生微米级等离子体；这种类气体混合物中的离子将空气分子从导线驱动到相邻的板上，从而产生风。该风扇产生的气流比典型的机械风扇更大，但体积却小得多。其他创新者正在制造斯特林发动机风扇，这种风扇仍然有些笨重，但可以产生风，而且不消耗电力；它们由芯片冷热区域之间的温差驱动。
架构：多核
更小的晶体管可以在关断和导通之间更快地切换以表示 0 和 1，从而使芯片更快。但是，随着芯片达到热量上限，时钟频率（芯片每秒可以处理的指令数）稳定在 3 到 4 千兆赫。在热量和速度限制内获得更高性能的愿望促使设计师将两个处理器或内核放置在同一个芯片上。每个内核的运行速度仅与之前的处理器一样快，但是由于两个内核并行工作，它们可以在给定的时间内处理更多的数据，并且消耗更少的电力，从而产生更少的热量。最新的个人电脑现在配备了四核处理器，例如英特尔 i7 和 AMD Phenom X4。
世界上最强大的超级计算机包含数千个内核，但是在消费类产品中，即使是最有效地使用几个内核也需要新的编程技术，这些技术可以划分数据和处理并协调任务。并行编程的基础知识在 20 世纪 80 年代和 90 年代为超级计算机制定，因此挑战在于创建软件开发人员可以用于消费类应用程序的语言和工具。例如，微软研究院发布了 F# 编程语言。瑞典公司爱立信的早期语言 Erlang 激发了包括 Clojure 和 Scala 在内的新语言。伊利诺伊大学等机构也在为多核芯片追求并行编程。
如果这些方法能够得到完善，台式机和移动设备可能会包含几十个或更多并行处理器，这些处理器单个可能比当前的芯片晶体管更少，但作为一个整体工作速度更快。
更纤薄的材料：纳米管和自组装
十年前，评论员们已经欢呼纳米技术是解决医学、能源以及集成电路领域各种挑战的方案。一些爱好者认为，制造芯片的半导体行业实际上创造了纳米技术学科，因为它设计了越来越小的晶体管。
然而，更高的期望是纳米技术将使工程师能够制造设计师分子。例如，由碳纳米管组装的晶体管可能会小得多。事实上，IBM 的工程师已经制造出一种传统的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 电路，该电路使用碳纳米管作为导电基板，而不是硅。该团队的 Joerg Appenzeller 现在在普渡大学工作，他正在设计比 CMOS 器件小得多的新型晶体管，这些晶体管可以更好地利用微小的纳米管基底。
排列分子甚至原子可能很棘手，尤其是在考虑到芯片生产期间需要大批量组装它们的情况下。一种解决方案可能是自组装分子：将它们混合在一起，然后将它们暴露在热或光或离心力下，它们就会将自己排列成可预测的图案。
IBM 已经演示了如何使用化学键连接的聚合物制造存储电路。当在硅晶圆表面上旋涂并加热时，分子会拉伸并形成孔径仅为 20 纳米的蜂窝结构。随后可以将图案蚀刻到硅中，从而形成该尺寸的存储芯片。
更快的晶体管：超薄石墨烯
不断缩小晶体管尺寸的目的是缩短电子信号在芯片内必须传播的距离，从而提高信息处理速度。但是，一种特殊的纳米材料——石墨烯——由于其固有的结构，可能会运行得更快。
大多数处理信息的逻辑芯片都使用采用 CMOS 技术的场效应晶体管。可以将晶体管想象成一个狭窄的矩形千层蛋糕，顶部是一层铝（或最近，多晶硅），中间是一层绝缘氧化物层，底部是一层半导体硅层。石墨烯——一种新分离出来的碳分子形式——是一层扁平的重复六边形薄片，看起来像鸡丝网，但只有一层原子厚。堆叠在一起，石墨烯薄片形成矿物石墨，我们熟悉的铅笔“铅”就是石墨。在其纯晶体形式下，石墨烯在室温下导电的速度比任何其他材料都快——比场效应晶体管快得多。电荷载流子由于散射或与晶格中的原子碰撞而损失的能量也很少，因此产生的废热更少。科学家在 2004 年才分离出石墨烯作为一种材料，因此这项工作还处于早期阶段，但研究人员相信他们可以制造出只有 10 纳米宽、一个原子高的石墨烯晶体管。或许可以在一张微小的石墨烯薄片上雕刻出许多电路。
光学计算：快如闪电
硅芯片的激进替代方案仍然非常初级，以至于商用电路可能还需要十年时间。但是摩尔定律很可能到那时已经走到了尽头，因此完全不同的计算方案的工作正在顺利进行中。
在光学计算中，电子不携带信息，光子携带信息，而且光子携带信息的速度更快，达到光速。然而，控制光要困难得多。电信线路中光纤电缆沿线的光开关制造方面的进展也帮助了光学计算。最具先进性的努力之一，具有讽刺意味的是，旨在创建多核芯片上传统处理器之间的光学互连；必须在并行处理信息的内核之间传输大量数据，它们之间的电子线可能会成为瓶颈。光子互连可以改善流量。惠普实验室的研究人员正在评估可以移动两个数量级以上信息的 设计。
其他小组正在研究光学互连，这将取代现在将处理器芯片连接到计算机内部其他组件（如存储芯片和 DVD 驱动器）的较慢的铜线。英特尔和加州大学圣巴巴拉分校的工程师已经使用常见的半导体制造工艺，用磷化铟和硅构建了光学“数据管道”。然而，完全光学的计算芯片将需要一些根本性的突破。
分子计算：有机逻辑
在分子计算中，不是晶体管代表 1 和 0，而是分子代表 1 和 0。当分子是生物分子，例如 DNA 时，该类别被称为生物计算。需要明确的是，工程师可能会将使用非生物分子进行的计算称为分子逻辑或分子电子学。
经典的晶体管有三个端子（想想字母 Y）：源极、栅极和漏极。向栅极（Y 的茎）施加电压会导致电子在源极和漏极之间流动，从而建立 1 或 0。理论上，具有分支状形状的分子可能会以类似的方式引起信号流动。十年前，耶鲁大学和莱斯大学的研究人员使用苯作为构建块制造了分子开关。
分子可能非常小，因此用分子构建的电路可能比用硅制造的电路小得多。然而，一个困难是找到制造复杂电路的方法。研究人员希望自组装可能是一种答案。2009 年 10 月，宾夕法尼亚大学的一个团队仅使用化学反应就将锌和结晶硫化镉转变为金属-半导体超晶格电路，这些化学反应促使了自组装。
量子计算：0 和 1 的叠加
由单个原子、电子甚至光子制成的电路元件将是最小的。在这个维度上，元件之间的相互作用受量子力学控制——量子力学是解释原子行为的定律。量子计算机可能非常密集和快速，但实际制造它们和管理出现的量子效应是令人生畏的挑战。
原子和电子具有可以以不同状态存在的特性，并且可以形成量子比特，或称量子位。正在研究几种处理量子位的研究方法。一种称为自旋电子学的方法使用电子，电子的磁矩在一个或两个方向上旋转；可以将它想象成一个球在一个方向或另一个方向上旋转（表示 1 或 0）。然而，这两种状态也可以在单个电子中共存，从而产生一种独特的量子状态，称为 0 和 1 的叠加。通过叠加状态，一系列电子可以表示比仅具有普通比特状态的一串硅晶体管指数级更多的信息。加州大学圣巴巴拉分校的科学家通过利用蚀刻到金刚石中的空腔中的电子，创造了许多不同的逻辑门。
马里兰大学和国家标准与技术研究院正在追求的另一种方法是，将一串离子悬浮在带电板之间，并使用激光翻转每个离子的磁取向（它们的量子位）。第二种选择是检测离子发出的不同种类的光子，具体取决于它所采取的取向。
除了享有叠加之外，量子元件还可以变得“纠缠”。信息状态跨越许多量子位链接在一起，从而允许强大的方式来处理信息并将信息从一个位置传输到另一个位置。
生物计算：活着的芯片
生物计算用通常在生物体中发现的结构代替晶体管。
人们对 DNA 和 RNA 分子非常感兴趣，它们确实存储了指导我们细胞生命的“程序”。令人向往的愿景是，粉红色指甲大小的芯片可能包含十亿个晶体管，而相同大小的处理器可能包含数万亿个 DNA 链。这些链将同时处理计算任务的不同部分，并连接在一起以表示解决方案。生物芯片除了拥有更多数量级的元件外，还可以提供大规模并行处理。
早期的生物电路通过形成和断开链之间的键来处理信息。研究人员现在正在开发“遗传计算机程序”，这些程序将在细胞内部生存和复制。挑战在于找到对生物元件集合进行编程以使其以所需方式表现的方法。此类计算机最终可能会出现在您的血液中，而不是在您的桌面上。以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的研究人员已经用 DNA 制造了一个简单的处理器（上图），他们现在正在尝试使组件在活细胞内部工作，并与该细胞周围的环境进行通信。