隨著(zhù)硅基芯片進(jìn)入10nm以下，越來(lái)越接近物理極限，摩爾定律即將在硅基芯片上失效。芯片的出路在何方？

目前全球主要有兩種下一代芯片在研：碳基芯片和量子芯片，而中國也在其中。

碳基芯片：我國北大彭練矛和團隊在2020年5月26日宣布碳基芯片半導體制備材料取得關(guān)鍵性突破；

量子芯片：8月25日中國科技大學(xué)潘建偉團隊的朱曉波教授對外宣布，中國科大今年預計可以實(shí)現60量子比特的超導量子系統，并且有望在5年后實(shí)現千個(gè)量子比特的系統。

如果說(shuō)硅基芯片是馬車(chē)；

那碳基芯片就是汽車(chē)；

量子芯片既不是高鐵、也不是飛機，而是火箭！

所以，量子計算機，又被美國科學(xué)家賦予個(gè)新的稱(chēng)號：“量子霸權”。量子霸權代表量子計算裝置在特定測試案例上表現出超越所有經(jīng)典計算機的計算能力。實(shí)現“量子霸權”可以將人類(lèi)直接帶入科學(xué)的下一個(gè)維度，屆時(shí)計算機的能力將遠超人類(lèi)自身。

但量子芯片領(lǐng)域離商業(yè)化還很遙遠，目前還需靠碳基芯片維持現有產(chǎn)業(yè)鏈的過(guò)渡。

碳基芯片中美的不同道路

碳基芯片相對傳統的硅基芯片有著(zhù)成本更低、功耗更小、性能更佳的優(yōu)勢。

碳基芯片研發(fā)目前有兩家處于第一梯隊，美國的麻省理工學(xué)院和中國的北京大學(xué)，這兩家團隊都在碳基芯片上努力了十幾年，并且都于近期取得了成就。

1.美國麻省理工（MIT）的碳基芯片制備工藝與現有的硅基芯片兼容，可以更快產(chǎn)業(yè)化，但性能很落后。

2020年6月1日，麻省理工學(xué)院（以下稱(chēng) MIT）電氣工程與計算機科學(xué)系助理教授馬克斯·舒拉克，帶領(lǐng)團隊在《自然·電子學(xué)》雜志發(fā)表了題為《在商用硅制造設施中制造碳納米管場(chǎng)效應晶體管》的論文。

舒拉克團隊改進(jìn)了一種將襯底浸沒(méi)在納米管溶液的沉積技術(shù)，從而讓工業(yè)設備制造碳管成為可能。他們表示，這將促進(jìn)碳管盡快應用到商業(yè)中。

而該技術(shù)是利用現有的硅基芯片產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行制備（如光刻機和EDA軟件），，MIT的碳基芯片制備技術(shù)，就是沖著(zhù)產(chǎn)業(yè)化去的，但該技術(shù)有個(gè)最大的癥結，就是性能太差，目前所取得的成績(jì)僅相當于30年前的硅基芯片性能，離真正的取代硅基芯片，還差的很遠。

2.中國北大創(chuàng )新性地研發(fā)出大面積制備碳納米管排列的工藝，性能超越硅基芯片，但產(chǎn)業(yè)鏈形成還需時(shí)日。

而中國的碳基芯片則完全不同，目前現有的硅基芯片產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)都被國外壟斷，如果繼續走M(jìn)IT的老路，無(wú)疑還是會(huì )被卡脖子，北大彭練矛團隊就開(kāi)發(fā)了一種全新的提純和自組裝方法。

利用該方法可以制備出高密度、高純半導體陣列的碳納米管材料，在此基礎上還首次實(shí)現性能超越同等柵長(cháng)硅基 CMOS 技術(shù)的晶體管和電路（CMOS，互補式金氧半導體），首次制備出性能超越同等柵長(cháng)硅基CMOS技術(shù)的碳納米管陣列，純度高達99.9999%。

北大團隊成功制備出的5nm柵極碳納米管COMS器件，速度兩倍于英特爾最新商用硅晶體管，能耗卻只有硅晶的四分之一，展示出10nm以下碳基芯片的巨大商用價(jià)值，性能遠超MIT的研究。

但我國的碳基芯片也存在兩個(gè)問(wèn)題：

一是采用了全新的制備方式，所以整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈需要重建，不像MIT可以利用現有的硅基芯片產(chǎn)業(yè)鏈快速商業(yè)化（正好可以借機重構我國的芯片產(chǎn)業(yè)鏈，不會(huì )受制于人）。

二是我國的企業(yè)大多都是等有了成果才會(huì )介入，不像國外提前投資研發(fā)，這也給我國碳基芯片的產(chǎn)業(yè)化帶來(lái)了時(shí)間和投入上的限制。

好消息是華為等企業(yè)已經(jīng)與彭練矛團隊取得了接觸，這為下一步快速產(chǎn)業(yè)化打下了良好的基礎，如果我國能在碳基芯片的制備技術(shù)上走出自己的產(chǎn)業(yè)化之路，那未來(lái)芯片產(chǎn)業(yè)將不再會(huì )被國外卡脖子，并走上芯片制造的制高點(diǎn)。

量子計算機為何被定義為“量子霸權”

碳基芯片只能說(shuō)是在現有的芯片體系上繼續延續“摩爾定律”，由碳基芯片接棒硅基芯片，繼續以18個(gè)月翻一倍性能的速度前進(jìn)。

但量子芯片的出現，則遠遠超越了摩爾定律，它會(huì )把人類(lèi)的文明直接帶入下一個(gè)維度。美國也把量子計算機定義為“量子霸權”，這種霸權是可以無(wú)視現有經(jīng)典計算機的。

量子計算機的原理

這里先簡(jiǎn)單做個(gè)量子計算機的原理科普，我們知道計算機是利用二進(jìn)制來(lái)進(jìn)行計算的，二進(jìn)制由0和1組成，計算機的電子管就用開(kāi)和關(guān)分別代表0和1，電子管數量越多，也就是開(kāi)關(guān)越多，則能代表的二進(jìn)制數值就越多，計算能力就越強，現在的電子管都做成了納米級，7nm就是一個(gè)晶體管，在指甲蓋大小的面積上就可以布設數十億個(gè)晶體管，這就是經(jīng)典計算機的基本原理。

而在量子計算機中，由于量子處于疊加態(tài)，每個(gè)比特單位既可以是1，還可以是0，也可以既是1、又是0，這就超越了傳統晶體管只能是0或1的狀態(tài)，傳統經(jīng)典計算機一個(gè)比特只能代表一個(gè)狀態(tài)，量子計算機一個(gè)比特可以是2^N個(gè)數，隨著(zhù)數量的增加，其存儲能力呈指數級上升，一個(gè)250量子比特的存儲器（由250個(gè)原子構成）可能存儲的數達2^250,比現有已知的宇宙中全部原子數目還要多。

看到這里大家應該知道了，量子計算機不用數十億個(gè)晶體管進(jìn)行運算，光250個(gè)量子單元的存儲和計算能力，就遠遠超越了宇宙全部原子數量的總和。

不要說(shuō)以現有的硅基芯片數十億個(gè)晶體管來(lái)算，哪怕是按照我國潘建偉團隊宣稱(chēng)的有望5年實(shí)現千個(gè)量子比特，其性能都已經(jīng)超越了我們人類(lèi)目前的想象極限，這就是“量子霸權”。

按照科學(xué)家的預測，50個(gè)左右的量子比特，就可以超過(guò)傳統經(jīng)典計算機的計算能力。

量子霸權競爭的生死時(shí)速

目前各國都在抓緊量子計算機的研發(fā)，走在第一梯隊的依然是中美兩國，美國的谷歌和我國的中國科技大學(xué)潘建偉團隊。

• 2019年1月IBM公布全球首款商用量子計算原型機；

• 2019年9月谷歌以53個(gè)量子比特，讓量子系統花費約200秒完成傳統超級計算機要1萬(wàn)年才能完成的任務(wù)，表示成功實(shí)現了“量子霸權”。

• 2020年8月28日，谷歌成功用12個(gè)量子比特模擬了二氮烯的異構化反應。這意味著(zhù)用計算機的計算能力，可以還原化學(xué)反應，創(chuàng )造一個(gè)完全數字化的復雜世界。

• 2020年8月25日，中國科技大學(xué)潘建偉團隊的朱曉波教授對外宣布，中國科大今年預計可以實(shí)現60量子比特的超導量子系統，并且有望在5年后實(shí)現千個(gè)量子比特的系統。

• 未來(lái)10年期的目標，即一百萬(wàn)比特量子計算機，保真度99.8%，和谷歌相同。

中國科技部2011年啟動(dòng)的“十二五”導向性重大項目（超級“973”），要求在2015年實(shí)現比特數3 的量子芯片。目前這一目標已實(shí)現，而啟動(dòng)的“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計劃“半導體量子芯片研究”，要求2020年前獲得品質(zhì)因子1000、比特數6的量子芯片。

從企業(yè)的角度來(lái)看，比較大的IT公司，例如谷歌、IBM、微軟、英特爾、以及國內的騰訊、阿里巴巴、百度、華為，幾乎都涉及到量子計算，并且全球已經(jīng)有上百家的量子計算創(chuàng )業(yè)公司，發(fā)展非?？焖?，也已經(jīng)有非常好的成果展現。

碳基和量子芯片都還在路上，雖荊棘滿(mǎn)布但仍需負重前行

做個(gè)簡(jiǎn)單的總結，硅基芯片已經(jīng)到了物理極限，碳基芯片將要接棒硅基芯片延續“摩爾定律”，量子芯片將迎接計算機發(fā)展的里程碑拐點(diǎn)。

不過(guò)這兩種芯片都離產(chǎn)業(yè)化還有距離，同時(shí)企業(yè)也需加大參與的力度，不能只靠科研團隊獨自?shī)^戰。

芯片之困破局任重而道遠，但好在我們已在下一代芯片布局上處于第一團隊，雖然現在傷痕累累，但未來(lái)可期。