材料望尘莫及的新材料做成的电路，不一而足。这些技术可能会成为将来一大批新颖创新产品的基础，其中一些产品是我们今天甚至想都想不到的。
不用导线的芯片：激光连接
如果近距离观察一下任何微处理器，会发现有成千上万条细细的导线四通八达，连接各个工作单元。揭开表面，里面的导线数量甚至多出五倍。麻省理工学院（MIT）微光子技术中心的研究员Jurgen Michel想要把所有那些导线换成闪烁的锗（Ge）激光器，通过红外光来传输数据。
Michel解释：“由于处理器里面的核心和部件越来越多，互连导线会因大量数据而出现堵塞，成为性能瓶颈。为了改进性能，我们使用了光子，而不是电子。”
锗激光器能够以光的速度来传输数据，传输比特和字节的速度比电流通过导线传输的速度快100倍。这就意味着，芯片的处理核心与其存储器之间的关键互连元件不会阻碍设备其余部件的速度。正如一二十年前光纤通信提高了电话通话的效率一样，芯片里面使用激光器有望大幅提升计算设备的性能。
最好的消息是：麻省理工学院的系统不需要在每个处理器里面埋设极细的光纤。相反，芯片内部布满了微型通道和空穴，用来传输光脉冲；极小的反射镜和传感器负责转发和解读数据。
传统硅电子与光学部件相结合的这种做法名为硅光子学技术（Silicon Photonics），它还能让计算机更节能环保。那是由于激光器的耗电量小于被它们取代的导线，而且散发的需要冷却的热量也比较少。
Seiler说：“光电子学技术是孜孜以求的目标。它可以拓宽电子产品的应用领域，也是降低耗电量的一种好方法，因为芯片内没有那些工作起来如同小型取暖器的导线。”
2010年2月，Michel和他的两位同事Lionel Kimerling和刘继峰（Jifeng Liu），成功地制造出了可正常工作的电路——该电路采用锗激光器来传输数据，并成功地进行了测试。芯片的速度达到每秒1兆兆位以上；也就是说，比今天采用导线连接的速度最快的芯片高出了两个数量级。
芯片采用现有的半导体工艺技术制造而成，只作了一些细小的改动。于是Michel认为，芯片产业有望在未来五年改用基于激光器的连接。麻省理工学院表示，如果进一步的测试取得成功，它会授权其他公司使用这项工艺；这种芯片有望在2015年前后面市。
对这种芯片的需求从未非常巨大。到2015年，会出现独立处理核心多达64个的计算机芯片，每个核心可以同时处理任务。Michel说：“用导线连接处理核心只有死路一条。如果使用锗激光器来连接处理核心，会有巨大潜力，而且效益显著。”
新型电路：忆阻器
如果你的MP3播放器存满了歌曲，但每当删除一首歌曲，你就觉得如同在扼杀文化，那么忆阻器技术也许来得适逢其时。
忆阻器是自硅晶体管在上世纪50年代问世以来第一个真正全新的电子部件；与闪存存储器相比，它带来了一种更快速、更耐用、可能廉价得多的替代方案。由于存储容量大概是闪存芯片的两倍，忆阻器拥有庞大空间，容纳得下从指挥家兼作曲家伦纳德?伯恩斯坦（Leonard Bernstein）到流行音乐天后Lady Gaga的所有作品。
高级研究员R. Stanley Williams是加州帕洛阿尔托惠普实验室量子科学研究小组的负责人，他说：“如果我们今天重新设计计算机技术，就会使用忆阻器这种存储器。它是未来电子产品的基本结构。”
忆阻器基本上是带存储器的电阻器，它最早由加州大学伯克利分校的蔡少棠（Leon Chua）教授在1971年提出来，但惠普实验室的忆阻器原型直到2008年才公开演示。
为了制造忆阻器，惠普采用了交互叠层的二氧化钛和铂金属；在电子显微镜下，它们看起来就像是一连串长长的平行山脊。表面下面是呈直角的类似结构，形成了网格状阵列。
Williams说：“它好比是一系列边长为2至4nm的立方体。（1nm是十亿分之一米，大致相当于一根人头发的万分之一细。）
关键在于，任何两根相邻导线可以用表面下方的电气开关来连接，从而形成一个存储单元。科学家们通过调整对立方体施加的电压，可以打开和关闭微小的电气开关，像传统的闪存芯片那样存储数据。
这些芯片称为ReRAM，即电阻式随机存取存储器，数据存储量大概是闪存芯片的两倍，但速度要比闪存存储器快1000倍，可以用上数百万次的重写周期，而闪存存储器只能用上10万次的重写周期。另一个优点是，ReRAM的读速度与写速度差不多，而闪存写数据的速度要比读数据慢得多。
惠普和韩国的海力士（Hynix）已联合批量生成ReRAM芯片，可以用在各种小巧设备上，如可以存储兆兆字节（TB）歌曲、视频和电子书的媒体播放器。他们预计首批产品会在2013年的某个时间面市。
ReRAM还能取代计算机中的动态随机存取存储器（DRAM）。由于ReRAM具有非易失性，系统关机或断电时，不会丢失内容，而DRAM会丢失。Williams认为，实际上，这有望开辟计算设备即时开机的时代。今天的设备就算仅仅处于休眠模式，而不是完全关机，一旦唤醒它们，以便访问所存储的数据还是需要几秒钟到1分钟。但如果使用ReRAM设备，你能够立即从上次停下的地方接着开始。
Williams还表示，可以在一块芯片里面将一组组忆阻器彼此堆叠起来。这可能带来3D存储器元件，可以更好地利用芯片里面的空间。这种存储器元件可以做入到芯片的深处，而不是仅仅使用芯片表面，因而在同样大的体积内制造出容量大得多的存储器。
Williams补充说：“我们所能制造的层数基本上没什么限制。我们有望在大约10年内研制出千兆兆位级芯片。这相当于1000TB的存储空间，足以在一块指甲大小的芯片上装得下可以连续播放一年多的高清视频。”
NIST的Seiler说：“忆阻器的第一个应用领域很可能是存储器，但应用范围要比这广泛得多。除了存储器，还大有潜力可挖。”
着眼于更久远的未来——可能再过20年左右，这项技术有望改写基本的计算机设计。惠普的研究人员在2010年发现，除了用于存储外，忆阻器还可以用于逻辑运算。这意味着，从理论上来说，存储和逻辑运算这两种功能都有可能出现在同一块芯片里面。
Williams说：“单单一个忆阻器就能取代一堆其他电路，从而简化了计算机的设计、制造和操作。”他表示，比如说，一个忆阻器就能顶得上六个晶体管：目前制造处理器高速缓存中的一个静态RAM存储单元，就要用到六个晶体管。
Williams认为，甚至可以用忆阻器技术制造出可以模仿大脑工作机理的人工神经突触。不过，就算这有可能实现，也要几十年后才会。
IBM的物理科学部门主管Supratik Guha表示，忆阻器肯定有能力改写电子行业的规则。不过Guha强调，这项技术仍必须证明自己。他说：“作为一种存储器元件，忆阻器大有潜力。但是与其他任何技术一样，先会爬，才会走；先会走，才会跑。”
换句话说，忆阻器技术不会一夜之间就会普及。只有经历了诸多发展，并假以时日，忆阻器才会变得与DRAM或闪存存储器一样普及。
可更换芯片：可编程层
从速度最快的处理器到尺寸最小的内存模块，如今电子产品中所用的几乎每一块芯片都有一个共同点：有源元件位于原材料硅片的最上面的1%至2%。
随着芯片生产商采用垂直集成技术，塞入越来越多的部件，这种情况会在未来几年发生变化。英特尔等一些厂商采用了将完工的芯片粘合起来的方法，罗切斯特大学的研究人员则在内部采用层层叠加的方法，设计和制造出了3D电路。IBM的Guha表示，这两种方法都难度极大、成本极高。
但是倘若你能诱骗电路可以根据需要来重新排列，以便电路在其他部件看来有好几层有源元件，那又怎样？这正是Tabula公司的Spacetime技术及其ABAX芯片设计所采用的想法。
ABAX使用了可以根据需要来改变功能的可编程电路，而不是使用几层永久地蚀刻到硅片中、永远不会变化的硬连线部件。目前的产品可以提供相当于最多八个不同的芯片层，进行变化的速度比眨眼的速度还快。
Tabula公司总裁兼首席技术官Steve Tieg说：“它好比是有八层楼的百货商店。你会搭电梯前往不同楼层，去选购不同商品。”但是Tabula已想出了一种办法，让单单一个芯片层（相当于一层楼）可以根据需要来重新配置，而不是果真有八个不同的楼层，每一层都对商品进行了各自的排列和分类。
Tieg补充说：“这就像趁你还在电梯上，他们在内部重新排列了楼层，形成了摆有不同产品的不同布局。从外面来看，好像有八层楼，其实只有一层楼。”
芯片的可编程电路要正常工作，就必须在短短80微微秒内——比芯片的计算周期快1000倍，给它分配下一组的作业和任务。那样一来，在芯片等待下一批指令的同时，可以迅速改变芯片层。
实际上，ABAX采用了事半功倍的方法。Tabula的ABAX芯片由传统的半导体工艺技术制成，制造成本与传统芯片大致一样。不过这种设计只使用芯片的最上面，而单单这一层就能处理八块不同芯片的工作。据Tieg声称，这项技术可以使电路密度增加两倍，使存储器和视频吞吐量最多增加3.5倍。
这个想法有望给半导体行业开创一个新时代：单单一块芯片就能取代好几块芯片，或者不需要额外元件的成本和功耗，就能添加功能。NIST的Seiler说：“如果对芯片的操作进行虚拟化处理，可以大幅提升效率和灵活性。关键在于如何对芯片进行编程。”
到目前为止，Tabula主攻专用芯片市场，而不是直接对半导体行业的各大部件（如处理器、图形芯片和存储器）形成冲击。这些电路是我们这个时代的原动力，使得无线路由器和手机信号塔设备等产品成为了可能。
下一步，Tabula打算瞄准用在日常主流电子产品中的芯片，比如数码相机、电子游戏机，甚至还可能是电脑。该公司目前的8层芯片正投入生产，Tabula很快就要制造12层芯片，已经在规划制造20层芯片。Tieg说：“我们所能集成的芯片层数没有限制。”
从煤烟到电路：石墨烯
在过去的45年来，几乎有规律的是，最先进的硅计算机芯片上的晶体管数量每两年就增加约一倍，这使得摩尔定律与万有引力定律一样可靠。由于芯片上的电路元件变得越来越小、制造成本越来越低，可以将更多电路元件塞入到复杂性、功能和能力与日俱增的设备中——而成本与前几代产品大致一样。
这条道路最终可能会走向死胡同。科学家们试图把更多的晶体管塞入到硅芯片上，结果很难可靠地把电路元件做得比当前最小的14nm还要小——14nm相当于血液中血红蛋白分子的约两倍大小，或者相当于一粒滑石粉的千分之一大小。
一种名为石墨烯（graphene）的物质可以补充硅技术，有望为摩尔定律注入新的活力。石墨烯是与煤炭一样不起眼的材料制成，它是一层只有一个原子厚的碳原子，采用蜂巢状的排列方式。石墨烯在电子显微镜下就像是介于铁丝网和蜂巢之间。
佐治亚理工学院纳米科学实验室的Walt de Heer说：“石墨烯不仅看起来形状怪异，还有令人难以置信的属性。石墨烯是一种可以用来生成电子产品的神奇材料。它速度快，耗电量不大，可以做得非常小。它的性能优于硅，具有硅所没有的功能。石墨烯可能是电子产品的未来。”
自20世纪70年代以来，半导体研究人员就一直在尝试研制石墨烯，但要制造出一层层极薄的蜂巢状石墨烯困难重重。曼彻斯特大学的两位研究人员Andre Geim和Konstantin Novoselov在2004年成功制造出了石墨烯层（这个成就和石墨烯研究领域的其他进展为他们俩赢得了2010年诺贝尔物理学奖）。此后，这个领域迅速取得了进展。
今年早些时候，Heer的小组使用附生技术，把一张纯石墨烯沉积到硅芯片上，最先制造出了仅约10nm宽的石墨烯导线——这是制造微芯片必不可少的第一步。（附生工艺是指在一层晶体表面上长出另一层薄薄的晶体，那样另一层就能模仿衬底的晶体结构。）
Heer表示，最终，有可能获得只有1nm这么小、速度比硅快得多的电子结构。他预测：“如果石墨烯取得成功，有望带来千GHz级别的处理器”——比如今速度最快的硅芯片还要快约20倍。
佐治亚理工学院的研究小组希望明年能够完成研制石墨烯集成电路原型的工作，以便进一步研究这种材料具有的独特属性，完善这项可用于制造电路的技术。
同时，IBM的研究人员已使用标准的半导体制造技术，制造出了实验型的基于石墨烯的晶体管和集成电路。IBM的Guha强调，这些是力争让石墨烯应用于工业界所迈出的头几步。
他说：“这个领域大有潜力。石墨烯可以应用于军事和无线技术领域，还有希望与硅集成起来。现在需要做大量的工作，表明能够制造出放大器电路，还能够制造出大块的高质量石墨烯集成电路元件。”
尽管第一批石墨烯产品可有望在2013年出现，但别指望很快就会看到采用石墨烯芯片的超高速笔记本电脑。由于成本高昂，石墨烯很可能起初出现在高速度和低功耗比成本更重要的专门应用领域。
同样，今天看来很原始的集成电路一度是成本高昂的专用元件，仅用于成本并非主要考虑因素的军事和航天领域。NIST的Seiler说：“这方面的历史规律是，这些产品一开始成本高昂，也很少见，但很快变得成本低廉，无所不在。”
惠普实验室的Williams补充说：“它就像是一种制造速度快得多的芯片的新方法。石墨烯具有很大的潜力，可能在10年后出现在日常用品中。”
印制电路：便宜的芯片
标准的半导体制造工艺涉及一系列复杂的步骤，这些步骤需要在造价高昂的洁净室里面完成，洁净室不能有任何灰尘和污染物，以免破坏电子元件。不过施乐公司正致力于一种成本更低廉、更容易的方法，在塑料片上印制电路，从而制造电子元件。这项工艺使用的设备可能造价数十万美元，而不是传统芯片制造工厂所需的数十亿美元，比如英特尔最近在亚利桑那州钱德勒市动工兴建的芯片制造厂。
Jennifer Ernst以前在施乐帕洛阿尔托研究实验室（PARC）担任业务开发主管，她说：“传统的电子元件速度快、尺寸小、成本高。”然而通过直接在塑料上印制电子元件，PARC生产的电子元件“速度慢、尺寸大、成本低”，Ernst说，她现在是薄膜电子公司（Thin Film Electronics）的副总裁。
PARC的设计原理是直接在基底材料上印制电路，采用了仅仅比印刷邮件标签复杂一点的工艺。它需要一些特殊的材料，如银浆油墨，但这些元件可以在柔性聚乙烯片而不是硬脆的硅片上印制。实际上，印制成的元件甚至不该称之为芯片。
PARC对包括喷墨、冲压和丝网印制在内的诸多印制技术作了改动，已经制造出了放大器、电池和开关，而成本只有传统制造方法的零头。施乐最近用这种方式成功地制造出了20位的存储器和控制器电路，将在明年开始销售。其存储量与GB级的闪存和DRAM芯片相比是小巫见大巫，不过这只是个开端。
另一个值得关注的印制电路项目是PARC在为美国国防部高级研究计划局（DARPA）开发的爆炸探测传感带。其制造方式是在柔性带上印制电路，柔性带则可以压制到士兵的头盔上。借助背面的柔性薄膜电池，传感器就能测出通常出现在战场环境下的压力（高达每平方英寸100磅）、加速度（高达1000个重力加速度）、音量（高达175分贝）和光（高达400勒克斯）。
士兵在前线待了一星期后，可以撒下头盔上的柔性带送到实验室，然后下载和分析数据，那样医生就能查看该士兵有没有脑损伤的危险。Ernst说：“它可以取代7美元的传感器，成本不到1美元，而性能完全一样好。”
至于缺点，说到速度或者把数十亿个晶体管放在指甲这么小的芯片上的功能，印制电路可能永远赶不上硅。但是在许多环境下，成本比速度更重要。印制设备最早从2012年开始出现在采用原始计算功能（如合成声音）的玩具和游戏中，还会出现在遇到事故会控制安全气囊部署的汽车座位传感器中。（印制电路的速度与传统硅电子电路相比很慢，但仍快得足以部署空气气囊。）
时间再远些——2015年左右，Ernst估计印制电路最终可能会出现一些很有意思的应用，比如不用时可以卷起来的柔性电子书阅读器，或者由太阳能电池面料做成的衣服中，可以给音乐播放器或手机充电。市场分析公司IDTechEx预测，这些柔性印制电路的销售额会从2010年的10亿美元猛增到2016年的450亿美元，会出现在形形色色的设备中。
IBM的Guha也觉得印制电路前途一片光明。他说：“一旦你不需要用洁净室来制造电子元件，成本就会大大降低。对许多用户来说，成本低廉够吸引人，前提是制造出来的芯片具有可以接受的质量。”
术语表
附生：在一层晶体的表面上长出另一层薄薄的晶体，那样另一层就能模仿衬底的晶体结构。
锗：锗（Ge）在元素周期表上介于镓和砷之间的第四主族元素，与碳、硅同族，常用于光缆中。
石墨烯：石墨烯是按蜂巢晶格来排列的一层碳原子，它具有多种新颖的电子属性，比如电子的移动速度比在硅中快得多。
忆阻器：一种新颖的电子结构，将存储器与电阻器结合起来。这种部件能够简化电子电路的工作方式、加快处理速度。
摩尔定律：摩尔定律最先由英特尔联合创始人戈登?摩尔（Gordon Moore）在20世纪60年代末提出来。该定律表明，芯片上晶体管的密度每两年就会增加约一倍，因而能制造出功能越来越强的芯片。
ReRAM：电阻式随机存取存储器用忆阻器技术制造而成，可以取代闪存存储器。
