全球半导体短缺正在对从手持电子产品到汽车制造等行业造成严重破坏。这是一张复杂的网经济、社会和环境背后的原因——取决于你在哪里读到的新闻，它可能是由大流行、供应需求增加、准时制生产中美之间的紧张关系台湾的干旱。
不管你把各种原因归结为什么原因，这种被愉快地称为“chipageddon——不太可能很快结束。尽管它很严重，但它暴露了计算领域的另一个问题:对一种技术的依赖——在某种程度上——将变得无法改进。
“半导体”在物理学中的含义比在IT制造业中更广泛，但在这两种情况下，定义都依赖于电子的运动。
莫纳什大学物理学教授、ARC未来低能电子技术卓越中心(FLEET)主任Michael Fuhrer解释说:“就电子特性而言，有两种材料。”
“有一种金属，它的电子可以自由移动，能量基本上可以忽略不计。将电子从金属中移出不需要太多能量，这就是为什么它们携带电流并导电。(一些非金属分子——比如石墨——也属于这一类。)
“然后是绝缘体，它有一个带隙。所以电子移动的能量是有限的。而且——这是一个非技术解释——半导体是带隙相当小的绝缘体。所以它们是不导电的，但如果你给它们适量的能量，它们就可以导电。”
正是这种不寻常的特性使得半导体在It领域如此有用:它们可以传导电子有时使它们成为有用的开关。
“这些开关被称为晶体管，而晶体管是制造计算机芯片的基本单元，”Fuhrer解释道。
从理论上讲，任何半导体都可以制成晶体管。事实上，“第一个晶体管不是硅做的;它是由锗制成的，”Fuhrer说。但硅也有一些优点:首先，它的储量丰富，而且它氧化的方式使它干净，易于处理。
事实上，硅有一些特殊的优势，这意味着计算机芯片几乎总是用相同的工艺制造。
Fuhrer说:“在70年代中后期的某个时候，出现了一种用硅制造计算机芯片的工艺。”“它被称为CMOS:互补金属氧化物半导体。
“这在当时实际上并不是最好的(工艺)，但人们可以看到，如果我们用这种方法制造芯片，那么明年我们可以把它们做得更小一点，电压更低一点，而且它们仍然会更好地工作。
“有一条路可以让晶体管一年比一年好。而其他技术，你只需要每年重新设计。”
CMOS带来的挑战是工程上的挑战，而不是基础物理上的挑战。它们是可预测的，只要投入适当的时间和金钱，就可以开发出解决方案。这就是为什么在过去的50年里，我们的计算机变得越来越小，越来越快。
“出于各种原因，其中很多是经济上的原因，我们开始了这条制造计算机芯片的道路，”Fuhrer说。
这样做的问题是，制造商现在被限制在制造一个非常基本的计算机组件的非常特定的方式。CMOS工艺有其自身的重要性。
Fuhrer说:“为了将这些技术推广到最后，进入这些工厂的设备非常昂贵。”“而且它没有其他用途。所以现在，建造一家生产电脑芯片的工厂需要花费100亿美元。”
这就是为什么目前的短缺不太可能很快结束:在短期内，建造更多的工厂实际上是不可能的。Fuhrer表示，CMOS制造的另一个问题是，在某种程度上，这些芯片将变得尽可能高效。
“当我们走到尽头，无法制造出更快、更节能的电脑芯片时，在一段时间内，信息技术将会略微停滞。”
虽然这与当前的短缺无关，但这是物理学家和it专家认识到的一个问题。
“现在我们认为我们需要一种革命性的改变，一种完全不同的制造晶体管的方式，也许不是用硅，也许不是用电荷和电流工作的晶体管领域。它可能是完全不同的东西，”Fuhrer说。
这个东西可能是什么?Fuhrer说，从这个距离上看，这是不可能的——这取决于物理学中有什么创新:“所有这些现在都在基础研究领域。
“没有一个明确的赢家。从某种意义上说，这就像有12种不同的想法，都是不可能的事情，人们只是试图找出哪个是最不可能的。”
这是一个需要几十年而不是几年才能解决的问题。
Fuhrer自己在FLEET的研究着眼于这些相互竞争的想法。他正在研究的一个项目专注于不属于绝缘体/导体类别的物质。
“大约15年前，理论物理学家发现实际上有第三种材料，绝缘体实际上有两种，”Fuhrer说。“有一种叫做拓扑绝缘体的东西，可以绝缘材料的内部，但如果它们是二维的，它们的表面或边缘上都有导电态。”这些拓扑绝缘体在室温下导电良好。
它们会成为计算机芯片的下一次革命吗?10-20年后再回来看看吧。
Fuhrer说:“我们希望用其他的东西来救援，但这将需要相当长的时间。”
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