21、计算的物理层面与VLSI电路构建解析

计算的物理层面与VLSI电路构建解析

1. 计算硬件的物理优化思考

在计算硬件的设计中，当前的硬件设计存在着巨大的能量损失问题。我们应该努力增加电子的平均自由程并减小参数L。从(Et)sw的角度来看，存在着将其优化100倍的潜力（而非104倍，因为改变平均自由程时，Tcol也会随之改变）。

一个明显的优化建议是缩小机器的尺寸。假设我们将L按比例因子α（α < 1）进行缩放，即L变为αL。由于/col不随缩放变化，那么(L//c0i)²会变为α²(L//c0i)²。同时，栅极下的电子数量N会按面积缩放，变为α²N。这显示出缩小组件尺寸具有良好的缩放特性，尽管不能将α缩放到过小的值，但总体而言，缩小组件尺寸是有利的。

这里提出的(Et)相关观点是一种独特的视角，有可能存在错误。(Et)可能为常数的想法让人联想到量子力学中的不确定性原理，如果真是这样，很希望能有一个基础的解释。而且，从简单的关系Power = E/t = (Et)/t²可以看出，降低耗散作用(Et)能够减少高速机器的功率损耗。

2. VLSI电路构建基础

VLSI（超大规模集成电路）技术是工程和工业制造的一项伟大成就，但普通大众往往没有充分认识到其精妙之处。如今，我们已经能够轻松地将像百科全书或《圣经》这样的大量信息存储在一个针尖大小的芯片上。下面将以nMOS技术为例，介绍制造VLSI组件的基本过程。

2.1 平面工艺制造技术

• 起始材料 ：整个过程始于一块非常纯净的硅晶体。过去，硅材料既稀有又含有大量杂质，但现在实验室能够制造出极高纯度的硅。我们先准备一块约四英寸见方且有一定