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真空管捲土重來

除非是Hi-Fi發燒友玩高級膽機,相信現在沒有多少人見過真空管。不過在半導體發開之前,上世紀五十年代的電腦,其運算器便是由真空管組成。當年的電腦體積龐大耗電驚人,其中美軍用來計算原子彈設計的ENIAC電腦,便佔用地方二千尺,使用了一萬八千個真空管,據說開機時會令費城所有電燈暗下來。真空管的樣子看起來似電燈膽,事實上真空管是電燈膽的副產品,當年愛迪生研究電燈膽時無意發現的。真空管的運作原理很簡單,它有三隻腳,一隻正極另一隻負極,第三隻腳則是正負極的開關。如果第三隻腳通電,正負極便有電流通過,若第三隻腳不通電,那正負極則不通電。其本上任何邏輯運算元件,都可以利用這零與一的開關砌出來。

半導體發明後,不論是體積,速度還是耗電,各方面都比真空管遠遠優勝,很快真空管便被淘汰了,從此電腦是半導體的天下。只有少數講求高電力輸出的應用,如音響和雷達系統之外,因半導體只能輸出低電力的緣故,才有必要繼續使用真空管。半導體邏輯運算的建造原理,與真空管年代並沒有改變,同樣都是用零與一的開關砌出來。分別只是零一開關以半導體來構造,在半導體結晶中加入不同的氧化雜質,讓電流控制其電阻值,從而製造出微型的電流開關。隨著半導體技術越來越進步,零與一開關的體積越來越細,去到只有十幾納米的時候,半導體中的雜質限制電子流動的速度,令開關的速度不能再提升。從前晶片的時脈每幾年翻兩翻,但自Pentium 4後已到了樽頸位,近十年時脈的速度差不多可說是停滯不前。

世事總是一個循環,當年半導體淘汰了真空管,到了今天半導體技術走到樽頸,卻走回來向真空管尋求突破。NASA的科學家在最新的研究中,成功用半導體來製造納米大小的真空管。嚴格來說這不是真空管,只是把氧化雜質那層半導體挖空,讓正負極之間成為真空狀態。電子在真空中的流動速動,因為沒有其他物質的阻擋,比在半導體中快很多,可以提升晶片的時脈達一百倍,令電腦的運行速度作三級跳,延續摩爾定律的生命。不過更突破性的應用,是可以打開THz的頻譜。這個頻譜位與微波(如無線電話)與雷射(如光纖)之間,目前沒有任何的量產技術能收發這頻譜。如果真空半導體THz收發技術成功投產,不單可以用來提高通訊的速度,還可以用這個頻譜可作透視檢查,因為這個波長可以穿透塑膠和布料,又不會如X光般強力放出輻射。

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