PC的助推剂：化学技术编辑本段回目录
计算机部件尺寸不断缩小（特别是处理器和硬盘），设计人员的想像力以及市场的要求正在考验物理原理的极限。在物理方法遭遇到极限时，传统而又陌生的技术——化学技术正扮演着越来越重要的作用。
微处理器篇
掺杂技术提高性能
微处理器的核心部件是晶体管，正是大量的晶体管使得如今的处理器功能比以往更强大，但同时也给设计人员带来了更多难题。
晶体管之所以有这么大的魔力，是因为制造它们的半导体（如硅和锗等元素）有一个奇特而又非常有用的特性: 导电性能胜过绝缘体（如玻璃），但不如导体（如铝）。
科学家只要通过掺杂工艺，就能改变半导体的导电特性。掺杂工艺是指添加少量的杂质（砷和硼是两种常用元素）。IBM公司的硅技术部门主管Ghavam Shahidi说: “如果对硅进行掺杂，就可以改变它的工作方式。它既可以充当绝缘体，也可以充当金属。”用不同方法给半导体的某些部位进行掺杂就可以让晶体管实现开关操作。
如今用来制造晶体管的半导体硅是地球上含量最丰富的元素之一。其重量占到地壳的25.7%，是砂子的主要成分。不过贝尔实验室在1947年研制出来的第一只晶体管实际上是用锗制成的。但是，用锗元素来制造晶体管不太理想，这一方面是由于其数量有限、成本高昂。不过更大的问题是绝缘形式的氧化锗可溶解在水中，这样如果使用蚀刻工艺在一个芯片上制造多个晶体管，它就会溶解掉。英特尔公司的部件研究部门主管Ken David说: “锗很难加工，于是当时改用了硅。”
然而，硅也带来了自己的问题。1971年推出的第一个微处理器英特尔4004含有2300只晶体管。如今的处理器里面的晶体管有数亿只。不过我们还是希望晶体管数量更多，理由是芯片上面的晶体管越多，微处理器的速度就更快、功能也就更强。
摩尔定律至今仍然非常准确，但晶体管变得如此之小，以至这么小的尺寸给功耗和散热带来了严重问题。所幸的是，到目前为止，不断进步的化学技术一直能够缓解这些问题，让这一定律继续保持生命力。
化学技术减小电阻
譬如说，随着部件尺寸缩小，晶体管的连接导线与硅粘附的地方就会出问题。据David声称: “接触点的电阻变得非常大，阻碍了电流的流动。”
英特尔的办法就是改变金属——芯片变得更小、电阻变得更大时，也采用这种方法。当一种导体不行后，设计人员就改用电阻比较小的另一种导体。David说: “我们从20世纪80 年代使用钨，90年代初期使用钛，到90年代晚期改用钴，到现在改用镍。每种新金属减小了电阻，因为接触点电阻比较小。”
但他也说，从一种金属改用另一种金属带来了复杂问题。“钨用了五年，然后改用钛，只好重新开始。我们只有把沉积这种材料的电抗器换掉。我们从原来把圆晶片放到熔炉里面的工艺，改成用高强度灯来加热圆晶片的工艺，因为这可以让新材料与硅更好地粘附在一起。我们需要找出蚀刻新材料的方法，以便不会出现异常现象。”
进一步缩小尺寸
与此同时，越来越小的晶体管要求另一种化学上的变化——这回是导线本身: 从铝改成铜。问题同样出在电阻上。与以往一样，这种转变过程很复杂。虽然铜的导电性能远胜于铝，但从未用来连接晶体管，因为它很容易腐蚀，所以很难加工。
在20世纪90年代早期，工程师们想出了办法，在铜上面涂一层薄薄的钛可以解决腐蚀问题。但其他问题依然存在。铝导线可以使用标准的蚀刻技术蚀刻到微处理器上，而铜不能。David解释道: “我们必须使用某种逆向工艺，蚀刻二氧化硅绝缘层里面的沟槽，然后用铜加以填充。”
而铜不能碰到硅——元素之间的反应可能会损坏晶体管。因此在铜导线和硅晶体管之间需要用镍接触点。这涉及大量的工作，但巧妙地运用化学技术让晶体管能够尺寸变得更小、处理器变得速度更快。
堵住泄漏
晶体管尺寸不仅仅给接触点和导线带来了问题。晶体管的栅极——通断开关依靠薄薄的二氧化硅绝缘层才能工作。随着晶体管尺寸变小，这一层也随之变薄，现在只有三四个原子那么厚。
David说: “厚度变薄的缺点就是往往会导致电流泄漏。”所以，晶体管不是开或关，而是开或泄漏。结果就是: 晶体管变得更小，但功率反而在增加。
IBM公司的Shahidi说: “这是我们为获得速度更快的处理器付出的代价。你可以关闭晶体管，但无法阻止电流泄漏。过去，一枚奔腾芯片耗电10到15瓦，泄漏的不到1瓦。而如今需要100瓦能量才能工作，泄漏的却多达一半。”这也意味着需要更大的散热片。这个问题对移动计算来说特别突出。Shahidi说: “便携式电脑中没法使用功耗100瓦的芯片，最多只能使用30到40瓦功耗的芯片。”
图1 晶体管的化学工艺
自然，设计人员迫切需要解决这个问题——要是想不出办法，摩尔定律就会成为“摩尔历史”。Shahidi说: “许多研究在开展当中。大家都在关注取代二氧化硅的新材料。”
硅走到了尽头
英特尔已经宣布，最早到2007年，它准备使用所谓的高介电常数材料（介电常数指电荷保持能力），取代使用了30多年的二氧化硅。英特尔不愿透露高介电常数材料到底是什么，但行业内对三种材料特别感兴趣: 氧化铪、氧化镧和氧化锆。
其他研究人员在研究完全取代硅的技术。一些晶体管已经在使用砷化镓（GaAs），这种材料与硅相比具有几个优点。其一是速度快，另外对射频更加敏感，因而适合于移动电话和无线网卡。但因为它们的功耗大得多，所以到目前为止只应用于通信芯片。
让人意料不到的是，苦苦寻觅的新半导体到头来可能会是旧材料: 锗。虽然绝缘形式的氧化锗带来的难题是几十年前弃用这种元素的主要原因，新出现的绝缘体使得锗的发展前景比较好。英特尔公司的David说: “鉴于我们使用高介电常数材料而不是二氧化硅，将来我们也许可以重新使用锗。”
业界还可以尝试全新的方法，譬如使用碳纳米管。用这种微小的中空圆柱体做成的晶体管其功耗比用硅做成的晶体管小得多。英特尔和IBM正在研究这项技术。
尽管道路漫长，不过另一种发展前景是: 用组成人类基因的基本材料脱氧核糖核酸即DNA取代硅。乍一听，这想法似乎过于超前，但认真考虑一下: DNA链已经可以对信息进行编码; 而现有的工具让科学家们可以通过复制、连接、删除及插入DNA片段，来操纵DNA链。
因而，与硅一样，DNA也提供了存储及处理信息的一种方法——不过速度快得多、功耗小得多（从理论上来说是这样）。另外，这种材料随处可得、成本低廉，而且与碳纳米管一样，尺寸小得几乎难以置信。1994 年，南加利福尼亚大学的计算机科学家Leonard Adleman使用试管里面的DNA，为旅行推销员解决了难题（找出几个城市之间的最短路线，每个城市只点击一次）。现在的人可能不会很快就看到功能完备的DNA计算机，但可望在你有生之年看到……
显示器篇
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| 图2 柔性OLED |
化学技术为处理器赋予更强大功能更小的晶体管，存储容量更大的更薄的磁盘等等，这些通常不为人们所注意。不过有一种变化径直出现在我们眼前: 使用阴极射线管（CRT）的显示器改成液晶显示器（LCD）。
功耗增加导致CRT走向没落
Philo Farnsworth在1972年首次演示阴极射线管时，它们是完全创新的。但这种显示器从未停止对功耗的需求，另外还带来了其他问题。
阴极射线管让屏幕上的磷光点发光，从而形成图像，具体办法是: 迅速扫描电子束，每秒多次刷新整个点矩阵就可以形成运动错觉。后来，阴极射线管形成颜色的方法是生成有三种不同磷光的每个像素: 一个发红色、一个发绿色，一个发蓝色。
化学家们发现了成千上万种搭配方式。如果组合得当，硫化锌加铜和铝后发绿色; 加银后发蓝色。加铕、氧和钇后发红色。钇元素存在于月球岩石中，但显示器生产商可以在地球上购买到。
但磷光可能对环境不太有利——譬如说硫化锌就是有毒物。显示器还使用大量的铅，铅会从堆满废弃显示器的填埋场渗入到地下水。
电子枪需要大功率，这就限制了尺寸; 还需要又厚又重的玻璃以防止内爆。而在刷新间隔期间，磷光发出的光会减退，从而导致图像闪烁引起视觉疲劳。
液晶让显示器更眩目
远在150年以前，研究人员就注意到了有些物质具有奇特属性，譬如两个沸点。在1889年，物理学家Otto Lehmann推断出，这些“活的晶体”在液态和晶态之间还有一个状态。但直到20世纪60年代人们才认识到液晶的真正功效。
1971年，James Fergason使用向列场效应（nematic field effect）研制出第一个实用的液晶显示屏，这种效应可以使液晶与电场成一直线。这种显示器把一列列通常扭曲的液晶夹在彼此偏振成90度的滤光片之间。
如果通过第一块滤光片的白光扭曲幅度足够大，就会通过液晶进入第二块滤光片。对液晶分子施加电场就可以取消扭曲，因而光会被挡住。每个像素上的红色、绿色和蓝色滤光片就会形成颜色。这就不需要电子枪，从而减小了功率需求和显示屏尺寸。因为显示屏不断亮着，所以不会闪烁。
对显示屏而言，化学技术还有更大的潜能。有机发光二极管（OLED）的功耗有望比液晶显示屏更低、图像更明亮、响应时间更短，视角宽得多。研究人员认为，这种显示屏还会更薄，而其真正的优点在于具有柔性。
柔性OLED显示屏
导电聚合物是关键所在。这种碳基复合材料尽管是塑料，却能导电。有些导电聚合物还能够发光。但OLED还没有迎来其黄金时间。
圣路易斯华盛顿大学的化学助理教授Amy Walker说: “这是一个庞大的研究领域，现在的问题在于，它们存在使用寿命问题，不像人们期望的那么长。据认为，聚合物会遭到氧化作用的破坏。个中原因还没有完全弄清楚。”
科学家们还需要一种方法把金属导电通道沉积到聚合物上。金属和聚合物可以相互作用，但并不总是很好处理。如果金属化学性质过于活泼，就会破坏聚合物。但如果化学性质不够活泼，可能无法形成良好接触。譬如说，钛会破坏聚合物，所以不适合作为接触物。事实证明，铝和铜也不适合作为接触物。
硬盘篇
加快重金属的转速
你可以把成千上万的歌曲和照片存放到硬盘上，不必占用很多空间，这全有赖于巧妙的化学技术。我们看到现在硬盘尺寸更小了，存储容量却更大了（譬如iPod），但做到这一点并非易事。
硬盘的原理很简单: 使用小磁体保存1和0。即使断电，保存信息也不会丢失。
在过去的十年左右，覆在硬盘上的磁性涂层一直是钴、铬和铂组成的金属合金。前两种占了混合物的50%到60%，以提供磁性。铂使得涂层的磁区不会太容易改变方向。磁区的方向决定了它表示的是1还是0，所以偶然性的改变会导致存储信息不可靠。
卡内基·梅隆大学数据存储系统中心的副主任James A. Bain说: “你希望磁体强烈偏向某个方向，而铂恰恰具有这种特性。”
磁盘是又薄又亮的圆形铝或者玻璃，样子酷似DVD。超薄的磁层一次性喷涂在磁盘上面。Bain说: “你需要把它分成许多小区。”每个磁区可存储一个二进制位——小区越多，保存的数据就越多。
小尺寸带来大问题
当这些小磁体开始进一步缩小时，问题就会出现。Bain说: “如果你把磁体部分做得越来越小，就需要克服新的物理问题。”如今的磁性粒子直径通常只有10纳米，完全属于纳米技术的范畴。一旦受热，这么小的磁体就会振动。虽然铂有助于让它们呆在原位，不过对功率有所限制。
Bain警告说: “如果你把磁体做得非常小，它就会在1和0之间跳转。到了某个阶段，你就无法进一步缩小尺寸，因为受制于物理原理。你需要全新的方法。”
幸好，我们还没有到达这个阶段。研究人员正在构思各种各样的化学方法，把磁体尺寸缩小到10纳米以下——目标是达到5纳米。Bain说:“你可以改变沉积合金的温度，还可以把某些材料放到磁层下面。”譬如说，先使用镍铝合金可以把磁体分成更小部分。
在典型的磁盘上，磁体很难准确定位，这是一大问题。Bain说，“你试图把一个磁体从北改向南，但你并不完全知道它的位置，因为磁格子是不规则的。”
如今的硬盘使用复杂算法来计算磁头何时悬浮在相应的磁体上。当然，一种更好的解决办法就是使用完美的格子，即每个磁体大小一致。这并非没有可能。
在过去的几年里，研究人员一直在研究一种系统，可以同时沉积二氧化硅和钴铬铂合金。Bain道出了其中的原因: “二氧化硅在磁性晶粒之间形成了隔离边界，从而提高了隔离效果，让磁格大小更加一致。这项技术的商业化应用可能只要再过一年左右。”
可靠的磁头源自巧妙的想法
在磁体上方飞转、改变磁体方向的磁头也得到了发展。因为磁体再也不会偶尔改变方向，所以更难有意改变。工程师们需要让磁头生成越来越强的磁场。
生产商们最先生产的磁头80%是镍、20%是铁，后来把比率调整为45%和55%。发现这种做法不行后，铁钴合金解决了问题。
磁头和磁盘表面之间的界面也采用了大量的化学技术工艺。Bain这样说: “磁头和磁盘的间隙大约有10纳米，以每秒40米的速度移动，这好比一架747喷气式飞机在离地面只有6厘米的上方飞行。”
想避免碰撞几乎是不可能的，但同时，系统需要足够健壮、足够可靠，以便可以使用10年。磁头和磁盘都需要某种保护层——但它又不能做得太厚，否则磁头就无法读写数据。
满足这样的标准可能会让化学家发狂，但幸好至少还是有人想出了办法: 用一层薄而硬的类似金刚石的碳材料涂在磁头和磁盘上，两者之间是只有一个分子厚的润滑剂。即使磁头碰到磁盘盘片，两种坚硬的表面也会在润滑剂上滑行，从而防止损害。
但碰撞还是时有发生，润滑层必须做得非常薄，这样一来，它就会迅速磨损。为了防止这个问题，生产商们使用了一种特殊的油: 全氟醚（perfluorinated ether）。这种物质可以形成一道油脂膜，它的流动性足够强，可以迅速进入润滑层内形成的任何沟槽。工程师们称之为自愈型界面（self-healing interface）。
