1975年，電子先驅戈登·摩爾 famously 預測，積體電路晶片的複雜性將每兩年翻一番。製造技術的進步將允許晶片的電晶體不斷縮小，因此電子訊號處理資訊所需的傳播距離將更短。對於電子行業和消費者來說，摩爾定律（Moore’s Law）意味著計算機裝置將不斷變得更小、更快、更便宜。 感謝半導體設計和製造領域的持續創新，晶片在35年裡一直非常接近這一軌跡。
然而，工程師們知道，他們會在某個時候遇到瓶頸。電晶體將變得只有幾十個原子厚。在那個尺度上，基本的物理定律將施加限制。甚至在遇到瓶頸之前，就可能出現兩個實際問題。將如此小而緊密的電晶體放置在一起，同時仍然獲得高良率——可用晶片與有缺陷晶片的比例——可能會變得過於昂貴。而且，大量電晶體開關產生的熱量可能會攀升到足以開始“烹飪”元件本身的程度。
的確，這些障礙在幾年前就出現了。現在常見的個人電腦都響亮地宣傳“雙核”晶片——意味著兩個小型處理器而不是一個——主要原因是將所需數量的電晶體封裝到單個晶片上並對其進行冷卻變得過於困難。相反，計算機設計師選擇將兩個或多個晶片並排放置，並對它們進行程式設計以並行處理資訊。
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摩爾定律似乎終於要走到盡頭了。那麼，工程師們將如何繼續使晶片更強大呢？轉向替代架構和完善可以原子級組裝的奈米材料是兩種選擇。另一種是完善處理資訊的新方法，包括量子計算和生物計算。在接下來的篇幅中，我們將瞭解一系列進展，其中許多目前處於原型階段，這些進展可能在未來二十年內保持計算產品在“更小、更快、更便宜”的道路上，這條道路為我們提供了很好的服務。
尺寸：跨越障礙
現在製造的最小商用電晶體只有 32 奈米寬——大約 96 個矽原子橫跨。業界承認，使用數十年來不斷改進的光刻技術，可能很難製造出小於 22 奈米的特徵。
一種具有類似尺寸的電路特徵但提供更強大計算能力的選擇被稱為交叉杆設計。交叉杆方法不是將所有電晶體都製造在一個平面上（就像汽車擠在擁擠的矽高速公路的車道上一樣），而是具有一組在一個平面上平行的奈米線，這些奈米線與第二組與之成直角的導線交叉（兩條垂直的高速公路）。在它們之間夾著一層分子厚的緩衝層。兩組導線之間存在的許多交叉點可以像開關一樣工作，稱為憶阻器，它們像電晶體一樣表示 1 和 0（二進位制數字，或位元）。但是憶阻器也可以儲存資訊。這些功能結合在一起可以執行許多計算任務。本質上，一個憶阻器可以完成 10 或 15 個電晶體的工作。
惠普實驗室已經制造出原型交叉杆設計，採用 30 奈米寬的鈦和鉑絲，使用的材料和工藝與半導體行業已經最佳化的材料和工藝類似。公司研究人員認為，每根導線可以小到 8 奈米。幾個研究小組也在用矽、鈦和硫化銀製造交叉杆。
熱量：冰箱或風扇
在一個晶片上有多達 10 億個電晶體的情況下，消除電晶體開關時產生的熱量是一項重大挑戰。個人電腦有風扇的空間，但即便如此，每個晶片約 100 瓦的功耗也是它們可以冷卻的最大功率。因此，設計師們正在設計一些新穎的替代方案。MacBook Air 筆記型電腦有一個由導熱鋁製成的時尚外殼，可以用作散熱器。在 Apple Power Mac G5 個人電腦中，液體在加工到其處理器晶片底面的微通道中執行。
然而，流體和電子裝置可能是一種冒險的組合，而且智慧手機等更小巧的行動式裝置根本沒有管道或風扇的空間。英特爾領導的一個研究小組已經將碲化鉍薄膜超晶格製造成封裝晶片的封裝。熱電材料將溫度梯度轉化為電能，實際上是在為晶片本身製冷。
基於普渡大學的工作，初創公司 Ventiva 正在製造一種微型固態“風扇”，它沒有移動部件，而是透過利用電暈風效應產生微風——與靜音家用空氣清淨機利用的特性相同。一個略微凹陷的光柵具有帶電導線，可以產生微米級等離子體；這種類氣體混合物中的離子將空氣分子從導線驅動到相鄰的板上，從而產生風。該風扇產生的氣流比典型的機械風扇更大，但體積卻小得多。其他創新者正在製造斯特林發動機風扇，這種風扇仍然有些笨重，但可以產生風，而且不消耗電力；它們由晶片冷熱區域之間的溫差驅動。
架構：多核
更小的電晶體可以在關斷和導通之間更快地切換以表示 0 和 1，從而使晶片更快。但是，隨著晶片達到熱量上限，時鐘頻率（晶片每秒可以處理的指令數）穩定在 3 到 4 千兆赫。在熱量和速度限制內獲得更高效能的願望促使設計師將兩個處理器或核心放置在同一個晶片上。每個核心的執行速度僅與之前的處理器一樣快，但是由於兩個核心並行工作，它們可以在給定的時間內處理更多的資料，並且消耗更少的電力，從而產生更少的熱量。最新的個人電腦現在配備了四核處理器，例如英特爾 i7 和 AMD Phenom X4。
世界上最強大的超級計算機包含數千個核心，但是在消費類產品中，即使是最有效地使用幾個核心也需要新的程式設計技術，這些技術可以劃分資料和處理並協調任務。並行程式設計的基礎知識在 20 世紀 80 年代和 90 年代為超級計算機制定，因此挑戰在於建立軟體開發人員可以用於消費類應用程式的語言和工具。例如，微軟研究院釋出了 F# 程式語言。瑞典公司愛立信的早期語言 Erlang 激發了包括 Clojure 和 Scala 在內的新語言。伊利諾伊大學等機構也在為多核晶片追求並行程式設計。
如果這些方法能夠得到完善，桌上型電腦和移動裝置可能會包含幾十個或更多並行處理器，這些處理器單個可能比當前的晶片電晶體更少，但作為一個整體工作速度更快。
更纖薄的材料：奈米管和自組裝
十年前，評論員們已經歡呼奈米技術是解決醫學、能源以及積體電路領域各種挑戰的方案。一些愛好者認為，製造晶片的半導體行業實際上創造了納米技術學科，因為它設計了越來越小的電晶體。
然而，更高的期望是奈米技術將使工程師能夠製造設計師分子。例如，由碳奈米管組裝的電晶體可能會小得多。事實上，IBM 的工程師已經制造出一種傳統的互補金氧半導體 (CMOS) 電路，該電路使用碳奈米管作為導電基板，而不是矽。該團隊的 Joerg Appenzeller 現在在普渡大學工作，他正在設計比 CMOS 器件小得多的新型電晶體，這些電晶體可以更好地利用微小的奈米管基底。
排列分子甚至原子可能很棘手，尤其是在考慮到晶片生產期間需要大批次組裝它們的情況下。一種解決方案可能是自組裝分子：將它們混合在一起，然後將它們暴露在熱或光或離心力下，它們就會將自己排列成可預測的圖案。
IBM 已經演示瞭如何使用化學鍵連線的聚合物製造儲存電路。當在矽晶圓表面上旋塗並加熱時，分子會拉伸並形成孔徑僅為 20 奈米的蜂窩結構。隨後可以將圖案蝕刻到矽中，從而形成該尺寸的儲存晶片。
更快的電晶體：超薄石墨烯
不斷縮小電晶體尺寸的目的是縮短電子訊號在晶片內必須傳播的距離，從而提高資訊處理速度。但是，一種特殊的奈米材料——石墨烯——由於其固有的結構，可能會執行得更快。
大多數處理資訊的邏輯晶片都使用採用 CMOS 技術的場效應電晶體。可以將電晶體想象成一個狹窄的矩形千層蛋糕，頂部是一層鋁（或最近，多晶矽），中間是一層絕緣氧化物層，底部是一層半導體矽層。石墨烯——一種新分離出來的碳分子形式——是一層扁平的重複六邊形薄片，看起來像雞絲網，但只有一層原子厚。堆疊在一起，石墨烯薄片形成礦物石墨，我們熟悉的鉛筆“鉛”就是石墨。在其純晶體形式下，石墨烯在室溫下導電的速度比任何其他材料都快——比場效應電晶體快得多。電荷載流子由於散射或與晶格中的原子碰撞而損失的能量也很少，因此產生的廢熱更少。科學家在 2004 年才分離出石墨烯作為一種材料，因此這項工作還處於早期階段，但研究人員相信他們可以製造出只有 10 奈米寬、一個原子高的石墨烯電晶體。或許可以在一張微小的石墨烯薄片上雕刻出許多電路。
光學計算：快如閃電
矽晶片的激進替代方案仍然非常初級，以至於商用電路可能還需要十年時間。但是摩爾定律很可能到那時已經走到了盡頭，因此完全不同的計算方案的工作正在順利進行中。
在光學計算中，電子不攜帶資訊，光子攜帶資訊，而且光子攜帶資訊的速度更快，達到光速。然而，控制光要困難得多。電信線路中光纖電纜沿線的光開關製造方面的進展也幫助了光學計算。最具先進性的努力之一，具有諷刺意味的是，旨在建立多核晶片上傳統處理器之間的光學互連；必須在並行處理資訊的核心之間傳輸大量資料，它們之間的電子線可能會成為瓶頸。光子互連可以改善流量。惠普實驗室的研究人員正在評估可以移動兩個數量級以上資訊的 設計。
其他小組正在研究光學互連，這將取代現在將處理器晶片連線到計算機內部其他元件（如儲存晶片和 DVD 驅動器）的較慢的銅線。英特爾和加州大學聖巴巴拉分校的工程師已經使用常見的半導體制造工藝，用磷化銦和矽構建了光學“資料管道”。然而，完全光學的計算晶片將需要一些根本性的突破。
分子計算：有機邏輯
在分子計算中，不是電晶體代表 1 和 0，而是分子代表 1 和 0。當分子是生物分子，例如 DNA 時，該類別被稱為生物計算。需要明確的是，工程師可能會將使用非生物分子進行的計算稱為分子邏輯或分子電子學。
經典的電晶體有三個端子（想想字母 Y）：源極、柵極和漏極。向柵極（Y 的莖）施加電壓會導致電子在源極和漏極之間流動，從而建立 1 或 0。理論上，具有分支狀形狀的分子可能會以類似的方式引起訊號流動。十年前，耶魯大學和萊斯大學的研究人員使用苯作為構建塊製造了分子開關。
分子可能非常小，因此用分子構建的電路可能比用矽製造的電路小得多。然而，一個困難是找到製造複雜電路的方法。研究人員希望自組裝可能是一種答案。2009 年 10 月，賓夕法尼亞大學的一個團隊僅使用化學反應就將鋅和結晶硫化鎘轉變為金屬-半導體超晶格電路，這些化學反應促使了自組裝。
量子計算：0 和 1 的疊加
由單個原子、電子甚至光子製成的電路元件將是最小的。在這個維度上，元件之間的相互作用受量子力學控制——量子力學是解釋原子行為的定律。量子計算機可能非常密集和快速，但實際製造它們和管理出現的量子效應是令人生畏的挑戰。
原子和電子具有可以以不同狀態存在的特性，並且可以形成量子位元，或稱量子位。正在研究幾種處理量子位的研究方法。一種稱為自旋電子學的方法使用電子，電子的磁矩在一個或兩個方向上旋轉；可以將它想象成一個球在一個方向或另一個方向上旋轉（表示 1 或 0）。然而，這兩種狀態也可以在單個電子中共存，從而產生一種獨特的量子狀態，稱為 0 和 1 的疊加。透過疊加狀態，一系列電子可以表示比僅具有普通位元狀態的一串矽電晶體指數級更多的資訊。加州大學聖巴巴拉分校的科學家透過利用蝕刻到金剛石中的空腔中的電子，創造了許多不同的邏輯閘。
馬里蘭大學和國家標準與技術研究院正在追求的另一種方法是，將一串離子懸浮在帶電板之間，並使用雷射翻轉每個離子的磁取向（它們的量子位）。第二種選擇是檢測離子發出的不同種類的光子，具體取決於它所採取的取向。
除了享有疊加之外，量子元件還可以變得“糾纏”。資訊狀態跨越許多量子位連結在一起，從而允許強大的方式來處理資訊並將資訊從一個位置傳輸到另一個位置。
生物計算：活著的晶片
生物計算用通常在生物體中發現的結構代替電晶體。
人們對 DNA 和 RNA 分子非常感興趣，它們確實儲存了指導我們細胞生命的“程式”。令人嚮往的願景是，粉紅色指甲大小的晶片可能包含十億個電晶體，而相同大小的處理器可能包含數萬億個 DNA 鏈。這些鏈將同時處理計算任務的不同部分，並連線在一起以表示解決方案。生物晶片除了擁有更多數量級的元件外，還可以提供大規模並行處理。
早期的生物電路透過形成和斷開鏈之間的鍵來處理資訊。研究人員現在正在開發“遺傳計算機程式”，這些程式將在細胞內部生存和複製。挑戰在於找到對生物元件集合進行程式設計以使其以所需方式表現的方法。此類計算機最終可能會出現在您的血液中，而不是在您的桌面上。以色列雷霍沃特魏茨曼科學研究所的研究人員已經用 DNA 製造了一個簡單的處理器（上圖），他們現在正在嘗試使元件在活細胞內部工作，並與該細胞周圍的環境進行通訊。