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          碳基芯片剛獲突破,量子芯片又傳捷報,一文科普兩種芯片有何不同

          作者:O黎浩O 時間:2020-09-01 來源:O黎浩O 收藏

          隨著硅基芯片進入10nm以下,越來越接近物理極限,摩爾定律即將在硅基芯片上失效。芯片的出路在何方?

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202009/417819.htm

          目前全球主要有兩種下一代芯片在研:,而中國也在其中。

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

          :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(yù)計可以實現(xiàn)60量子比特的超導(dǎo)量子系統(tǒng),并且有望在5年后實現(xiàn)千個量子比特的系統(tǒng)。


          我國碳基芯片和雙雙傳來好消息,硅基芯片、碳基芯片和量子芯片到底誰更有前景呢?舉個形象的例子幫助大家理解:

          如果說硅基芯片是馬車;

          那碳基芯片就是汽車;

          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)家賦予個新的稱號:“量子霸權(quán)”。量子霸權(quán)代表量子計算裝置在特定測試案例上表現(xiàn)出超越所有經(jīng)典計算機的計算能力。實現(xiàn)“量子霸權(quán)”可以將人類直接帶入科學(xué)的下一個維度,屆時計算機的能力將遠超人類自身。

          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(xiàn)有產(chǎn)業(yè)鏈的過渡。

          碳基芯片中美的不同道路

          碳基芯片相對傳統(tǒng)的硅基芯片有著成本更低、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(xiàn)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 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(shè)施中制造碳納米管場效應(yīng)晶體管》的論文。


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

          而該技術(shù)是利用現(xiàn)有的硅基芯片產(chǎn)業(yè)鏈進行制備(如光刻機和EDA軟件),,MIT的碳基芯片制備技術(shù),就是沖著產(chǎn)業(yè)化去的,但該技術(shù)有個最大的癥結(jié),就是性能太差,目前所取得的成績僅相當(dāng)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)鏈形成還需時日。

          而中國的碳基芯片則完全不同,目前現(xiàn)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(xù)走MIT的老路,無疑還是會被卡脖子,北大彭練矛團隊就開發(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(dǎo)體陣列的碳納米管材料,在此基礎(chǔ)上還首次實現(xiàn)性能超越同等柵長硅基 CMOS 技術(shù)的晶體管和電路(CMOS,互補式金氧半導(dǎo)體),首次制備出性能超越同等柵長硅基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值,性能遠超MIT的研究。


          但我國的碳基芯片也存在兩個問題:

          一是采用了全新的制備方式,所以整個產(chǎn)業(yè)鏈需要重建,不像MIT可以利用現(xiàn)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(gòu)我國的芯片產(chǎn)業(yè)鏈,不會受制于人)。

          二是我國的企業(yè)大多都是等有了成果才會介入,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)化帶來了時間和投入上的限制。

          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(chǔ),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,那未來芯片產(chǎn)業(yè)將不再會被國外卡脖子,并走上芯片制造的制高點。

          量子計算機為何被定義為“量子霸權(quán)”

          碳基芯片只能說是在現(xiàn)有的芯片體系上繼續(xù)延續(xù)“摩爾定律”,由碳基芯片接棒硅基芯片,繼續(xù)以18個月翻一倍性能的速度前進。

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

          量子計算機的原理

          這里先簡單做個量子計算機的原理科普,我們知道計算機是利用二進制來進行計算的,二進制由0和1組成,計算機的電子管就用開和關(guān)分別代表0和1,電子管數(shù)量越多,也就是開關(guān)越多,則能代表的二進制數(shù)值就越多,計算能力就越強,現(xiàn)在的電子管都做成了納米級,7nm就是一個晶體管,在指甲蓋大小的面積上就可以布設(shè)數(shù)十億個晶體管,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(tǒng)晶體管只能是0或1的狀態(tài),傳統(tǒng)經(jīng)典計算機一個比特只能代表一個狀態(tài),量子計算機一個比特可以是2^N個數(shù),隨著數(shù)量的增加,其存儲能力呈指數(shù)級上升,一個250量子比特的存儲器(由250個原子構(gòu)成)可能存儲的數(shù)達2^250,比現(xiàn)有已知的宇宙中全部原子數(shù)目還要多。

          看到這里大家應(yīng)該知道了,量子計算機不用數(shù)十億個晶體管進行運算,光250個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(shù)量的總和。

          不要說以現(xiàn)有的硅基芯片數(shù)十億個晶體管來算,哪怕是按照我國潘建偉團隊宣稱的有望5年實現(xiàn)千個量子比特,其性能都已經(jīng)超越了我們?nèi)祟惸壳暗南胂髽O限,這就是“量子霸權(quán)”。

          按照科學(xué)家的預(yù)測,50個左右的量子比特,就可以超過傳統(tǒng)經(jīng)典計算機的計算能力。


          量子霸權(quán)競爭的生死時速

          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個量子比特,讓量子系統(tǒng)花費約200秒完成傳統(tǒng)超級計算機要1萬年才能完成的任務(wù),表示成功實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。

          • 2020年8月28日,谷歌成功用12個量子比特模擬了二氮烯的異構(gòu)化反應(yīng)。這意味著用計算機的計算能力,可以還原化學(xué)反應(yīng),創(chuàng)造一個完全數(shù)字化的復(fù)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(yù)計可以實現(xiàn)60量子比特的超導(dǎo)量子系統(tǒng),并且有望在5年后實現(xiàn)千個量子比特的系統(tǒng)。

          • 未來10年期的目標(biāo),即一百萬比特量子計算機,保真度99.8%,和谷歌相同。


          中國科技部2011年啟動的“十二五”導(dǎo)向性重大項目(超級“973”),要求在2015年實現(xiàn)比特數(shù)3 的量子芯片。目前這一目標(biāo)已實現(xiàn),而啟動的“十三五”重點研發(fā)計劃“半導(dǎo)體量子芯片研究”,要求2020年前獲得品質(zhì)因子1000、比特數(shù)6的量子芯片。

          從企業(yè)的角度來看,比較大的IT公司,例如谷歌、IBM、微軟、英特爾、以及國內(nèi)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(xiàn)。

          碳基和量子芯片都還在路上,雖荊棘滿布但仍需負重前行

          做個簡單的總結(jié),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(xù)“摩爾定律”,量子芯片將迎接計算機發(fā)展的里程碑拐點。

          不過這兩種芯片都離產(chǎn)業(yè)化還有距離,同時企業(yè)也需加大參與的力度,不能只靠科研團隊獨自奮戰(zhàn)。

          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(xiàn)在傷痕累累,但未來可期。




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