想象一下这样一个世界:电子设备可以自己充电，音乐播放器可以保存一辈子的歌曲，电池可以自我修复，芯片可以随时改变能力。根据美国研究实验室的情况，这些事情不仅是可能的，而且是可能的。
“未来的五年将是电子业非常激动人心的时期，”The chief of The The半导体电子产品部门在马里兰州盖瑟斯堡标准商务部国家技术研究院（NIST）的部门。“将会有很多的东西今天似乎是极不寻常的幻想，但将开始成为家常便饭。”
在这个由两部分组成的系列中，我们将带你参观电子产品的未来。其中一些想法可能听起来很神奇，其他的只是一个迟来的常识，但共同的线索是，它们都已经在实验室中被证明，并有潜力在未来五年左右成为商业产品。
今天的故事集中在芯片级的进步上，从用激光而不是电线传输数据的处理器到用新材料制成的电路，传统的硅电路被抛在了后面。这些技术可能成为大量新创新产品的基石，其中一些是我们今天甚至无法想象的。
芯片无电线:激光连接
近距离观察任何一个微处理器，就会发现有数百万根微小的导线以各种方式连接着它的有源元件。在表面之下，可能有五倍多的电线。Jurgen Michel是麻省理工学院微光子学中心的研究员。该公司希望用闪光的锗(Ge)激光器取代所有的电线，通过红外线传输数据。
“随着处理器拥有更多的核心和组件，”米歇尔解释道，“互连线就会被数据堵塞，成为薄弱环节。我们使用光子，而不是电子，来做得更好。”
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Ge激光器能够以光速传输数据，它传输比特和字节的速度是电线传输电流速度的100倍，这意味着芯片处理核心和内存之间的关键连接不会阻碍设备的其他部分。就像在上一代，光纤通讯使电话通话效率更高，芯片内的激光可以使计算超速运行。
最棒的是，麻省理工学院的系统不需要在每个处理器内部埋设微小的光纤电缆。取而代之的是，芯片与一系列的地下隧道和洞穴交错在一起，用来传输光脉冲;微小的镜子和传感器中继和解释数据。
这种传统硅电子器件与光学元件的混合——一种被称为硅光子学的做法——也可以使计算机更加环保。这是因为激光比它们替换的导线使用更少的能量，释放出更少的需要冷却的热量。
“光电子是一个圣杯，”赛勒说。“它可以拓宽电子产品的范围，也是一种减少电力消耗的好方法，因为你不用把所有的电线都当作加热器。”
2010年2月，米歇尔和他的合作者，梅西Kimerling和吉峰柳，成功地创建并测试一个正常运作的电路集成葛激光数据传输。该芯片触及速度超过兆兆位每秒，或两个数量级的速度比当今的有线连接器可以做的最好的芯片。
这种芯片是用现有的半导体处理技术制造的，再加上一些小的改进，所以米歇尔认为未来五年内可以实现向激光连接的转变。如果进一步的测试成功，麻省理工学院表示将批准该过程;这种芯片可能在2015年左右上市。
这种需要从来没有像现在这样迫切。到2015年，很可能会出现拥有多达64个独立处理核的计算机芯片，每个核同时工作。米歇尔说:“用电线把它们连接起来是行不通的。”“使用锗激光器连接它们具有巨大的潜力和巨大的收益。”
新型电路：忆阻器
如果你的MP3播放器里充斥着音乐，但每次删除一首歌时，你都感觉自己像个文化杀手，那么忆阻器技术可能正及时到来。
首先从根本上新的电子元件出现由于硅晶体管在20世纪50年代就来到现场，忆阻器呈现出更快，更耐用，并可能便宜得多的替代闪存。而且随着闪存芯片约容量的两倍，有足够的空间，一切从伯恩斯坦到Lady Gaga的。
“如果我们要重新设计今天的计算机技术，我们会使用忆阻器存储器，”R. Stanley Williams说，他是麻省理工学院量子科学研究(QSR)小组的高级研究员和负责人惠普在帕洛阿尔托实验室，加利福尼亚州。“这对电子产品的未来的基本结构。”
忆阻器 - 基本上是一个电阻器带记忆 - 最初是在1971年由美国加州大学伯克利分校教授蔡莱昂大学的假定，但惠普实验室忆阻器的原型没有公开展示了直到2008年。
为了制造记忆电阻器，惠普使用了二氧化钛和铂的交替层;在电子显微镜下，它们看起来像一系列长长的平行脊。在表面下面是一个类似的直角设置，产生一个网格状阵列。
Williams说:“可以把它想象成一面2到3纳米的一系列立方体。”(纳米是一米的十亿分之一，大约是人类头发厚度的万分之一。)
关键在于，任何两根相邻的电线都可以连接到表面下的电子开关上，从而形成一个存储单元。通过调整立方体上的电压，科学家们可以打开和关闭微小的电子开关，像传统的闪存芯片一样存储数据。(参见IEEE Spectrum的excellent6分钟记忆电阻的指南从威廉姆斯那里了解记忆电阻器工作原理的更多细节。)
所谓的ReRAM中，电阻式随机存取存储器，这些芯片可以大致存储两倍的数据闪存芯片，但比闪存快1000倍以上，并可能持续数百万次的重写，具有10万，闪存存储器用于认证的比较。奖金是ReRAM中的读取和写入速度相媲美，而闪存需要很多时间来写，而不是阅读数据。
HP和韩国的海力士已经合作批量生产ReRAM芯片了吗这可以用于各种小型设备，比如媒体播放器，它可以存储tb级的歌曲、视频和电子书。他们希望在2013年的某个时候看到第一批产品上市。
的ReRAM还可以在电脑取代动态RAM。因为它是非易失性的，当系统关闭或断电，如DRAM做的ReRAM不会失去其内容。事实上，威廉姆斯认为这可能会导致即时对计算的时代。即使在当今的设备只是进入睡眠状态，而不是被完全关闭，它在唤醒时间介于几秒钟，他们一分钟访问存储的数据。但随着设备的ReRAM，你可以拿起你离开的瞬间。
更重要的是，威廉姆斯说，有可能在单个芯片内彼此叠放忆阻器阵列。这可能会创造一个芯片内更好地利用空间3 d存储元件。而不是仅仅使用芯片的表面，这些存储器元件可以深处进入芯片内置，从而在相同的物理卷更多的内存。
“没有根本的限制，我们可以生产的层数，补充说：”威廉姆斯。“我们可以得到内约10年拍位的筹码。”这是一百万兆位存储空间，或足以容纳超过一年的高清晰度视频的芯片上的指甲盖大小。
“记忆电阻器的第一个应用很可能是记忆，”NIST的Seiler说，“但远不止于此。记忆之外还有很多潜力。”
在未来20年左右的数字时代，这项技术可能会改写基本的计算机设计。2010年，惠普的研究人员发现了这一点忆阻器可用于逻辑运算除了存储。这意味着这两种功能理论上可以在同一个芯片上实现。
Williams说，“一个单一的忆阻器可以替代其它电路，简化了电脑是如何设计，制造和操作了一把。”例如，他说，一个忆阻器能做到这一点，目前用于创建在处理器的高速缓存中的单个静态RAM存储单元的六个晶体管的工作。
威廉姆斯认为它甚至有可能产生与忆阻器技术，人工神经突触，可以模拟大脑的工作方式。这是几十年来关闭在未来，但是，如果有可能的话。
IBM物理科学部主任Supratik Guha说，忆阻器当然有重写电子规则的能力。但是，Guha指出，这项技术仍然需要证明自己。“这可能是一种潜在的记忆元素，”他说。“但就像任何其他技术一样，你需要先爬后走，先走后跑。”
换句话说，忆阻器技术不会在一夜之间发生。这将需要大量的演变和时间之前忆阻器是一样普遍的DRAM或闪存。
多变芯片：可编程层
从最快的处理器到最小的存储模块，几乎所有电子产品中使用的芯片都有一个共同点:其活性元素占据了硅材料的1%到2%。
作为芯片厂商进入垂直于越来越多的组件挤压，这将在未来几年内发生改变。一些厂商，如英特尔，纷纷使出粘合完成芯片连接在一起，而罗切斯特大学的研究人员已经设计并通过积层3 d电路层内部。这两种方法都非常复杂和昂贵，观察IBM的哈。
但是，如果你可以诱骗电路按需重新排列，使它在其他组件看来只有几层有源元素，那会怎么样呢?这就是Tabula时空技术及其ABAX芯片设计背后的想法。
ABAX使用可重新编程的电路，可以根据需要改变其功能，而不是使用几层永久性地蚀刻在硅上的硬布线组件。该公司目前的产品可提供多达8个不同的芯片层，可以在眨眼之间快速改变。
Tabula的总裁兼首席技术官Steve Tieg说:“把它想象成一个八层的百货商店。”“为了买不同的东西，你会乘电梯去两层楼之间。”But rather than having eight different physical floors, each with its own internal arrangement and assortment of goods, Tabula has figured out a way to have a single layer (or floor) that reconfigures itself as needed.
Tieg补充道:“这就好像当你在电梯里，他们在里面重新布置地板，用不同的产品创造一个不同的布局。”“从外面看，它好像有八层楼，但实际上只有一层。”
词汇表
外延:在另一个晶体表面生长一层薄晶体层的过程，使该层模仿基板的结构。
锗:在元素周期表上，锗位于镓和砷之间，比硅低一行，用于光纤电缆。
石墨烯:石墨烯是一种排列在蜂窝晶格中的单层碳，具有多种新颖的电子特性，比如电子的移动速度比硅快得多。
忆阻器：一种新颖的电子结构，它结合存储器与电阻器，该装置可以简化和加速电子的成效。
摩尔定律：假设由英特尔联合创始人戈登·摩尔在1960年代后期，它指出每两年晶体管的芯片上的密度将增加大约一倍，从而永远更强大的芯片。
的ReRAM：电阻式随机存取存储器是由忆阻器技术制造而成，可以替代闪存。
工作时，芯片的可编程电路只需80皮秒就能完成下一系列任务和任务——比芯片的计算周期快1000倍。这样，在芯片等待下一个指令时，就可以在飞行中改变芯片层。
在一个真正意义上的，ABAX确实事半功倍。制成与传统的半导体加工技术，塔布拉的ABAX芯片的成本大约制造，因为传统的那些是相同的。该设计仍然只使用芯片的顶表面，但单层做的八个不同的芯片的工作。据TIEG，该技术可以提高电路的密度双重的，记忆及视频吞吐量可多达来提升3.5倍。
这种想法可以在半导体的新时代，一个单芯片取代数或增加的能力，而没有成本和功率使用额外的部件可能迎来。“虚拟化芯片的操作可以在效率和灵活性方面一个大的诱惑力，” NIST的塞勒说。“最关键的是它如何被编程的。”
到目前为止，Tabula并没有直接攻击处理器、图形和内存等半导体行业的“大枪”，而是将重点放在了特殊用途芯片市场上。这些电路是我们这个时代的主力，使无线路由器和手机发射塔设备成为可能。