隨著硅基芯片進(jìn)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？

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(tuán)隊(duì)在2020年5月26日宣布碳基芯片半導(dǎo)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(tuán)隊(duì)的朱曉波教授對(duì)外宣布，中國科大今年預(yù)計(jì)可以實(shí)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(shí)現(xiàn)千個(gè)量子比特的系統(tǒng)。

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(jī)，而是火箭！

所以，量子計(jì)算機(jī)，又被美國科學(xué)家賦予個(gè)新的稱號(hào)：“量子霸權(quán)”。量子霸權(quán)代表量子計(jì)算裝置在特定測試案例上表現(xiàn)出超越所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”可以將人類直接帶入科學(xué)的下一個(gè)維度，屆時(shí)計(jì)算機(jī)的能力將遠(yuǎn)超人類自身。

但量子芯片領(lǐng)域離商業(yè)化還很遙遠(yuǎn)，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(duì)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(shì)。

碳基芯片研發(fā)目前有兩家處于第一梯隊(duì)，美國的麻省理工學(xué)院和中國的北京大學(xué)，這兩家團(tuán)隊(duì)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(jì)算機(jī)科學(xué)系助理教授馬克斯·舒拉克，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)改進(jìn)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(jìn)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(jìn)行制備（如光刻機(jī)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(gè)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(yuǎn)。

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(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M(jìn)IT的老路，無疑還是會(huì)被卡脖子，北大彭練矛團(tuán)隊(duì)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(shí)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(bǔ)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(dá)99.9999%。

北大團(tuán)隊(duì)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(yuǎn)超MIT的研究。

但我國的碳基芯片也存在兩個(gè)問題：

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(xiàn)有的硅基芯片產(chǎn)業(yè)鏈快速商業(yè)化（正好可以借機(jī)重構(gòu)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(tuán)隊(duì)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(huì)被國外卡脖子，并走上芯片制造的制高點(diǎn)。

量子計(jì)算機(jī)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(gè)月翻一倍性能的速度前進(jìn)。

但量子芯片的出現(xiàn)，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了摩爾定律，它會(huì)把人類的文明直接帶入下一個(gè)維度。美國也把量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的。

量子計(jì)算機(jī)的原理

這里先簡單做個(gè)量子計(jì)算機(jī)的原理科普，我們知道計(jì)算機(jī)是利用二進(jìn)制來進(jìn)行計(jì)算的，二進(jìn)制由0和1組成，計(jì)算機(jī)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(jìn)制數(shù)值就越多，計(jì)算能力就越強(qiáng)，現(xiàn)在的電子管都做成了納米級(jí)，7nm就是一個(gè)晶體管，在指甲蓋大小的面積上就可以布設(shè)數(shù)十億個(gè)晶體管，這就是經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基本原理。

而在量子計(jì)算機(jī)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(tǒng)晶體管只能是0或1的狀態(tài)，傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)一個(gè)比特只能代表一個(gè)狀態(tài)，量子計(jì)算機(jī)一個(gè)比特可以是2^N個(gè)數(shù)，隨著數(shù)量的增加，其存儲(chǔ)能力呈指數(shù)級(jí)上升，一個(gè)250量子比特的存儲(chǔ)器（由250個(gè)原子構(gòu)成）可能存儲(chǔ)的數(shù)達(dá)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(jì)算機(jī)不用數(shù)十億個(gè)晶體管進(jìn)行運(yùn)算，光250個(gè)量子單元的存儲(chǔ)和計(jì)算能力，就遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)晶體管來算，哪怕是按照我國潘建偉團(tuán)隊(duì)宣稱的有望5年實(shí)現(xiàn)千個(gè)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(gè)左右的量子比特，就可以超過傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。

量子霸權(quán)競爭的生死時(shí)速

目前各國都在抓緊量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)，走在第一梯隊(duì)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(tuán)隊(duì)。

• 2019年1月IBM公布全球首款商用量子計(jì)算原型機(jī)；

• 2019年9月谷歌以53個(gè)量子比特，讓量子系統(tǒng)花費(fèi)約200秒完成傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)要1萬年才能完成的任務(wù)，表示成功實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。

• 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(gòu)化反應(yīng)。這意味著用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，可以還原化學(xué)反應(yīng)，創(chuàng)造一個(gè)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(tuán)隊(duì)的朱曉波教授對(duì)外宣布，中國科大今年預(yù)計(jì)可以實(shí)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(shí)現(xiàn)千個(gè)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(jì)算機(jī)，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(dǎo)向性重大項(xiàng)目（超級(jí)“973”），要求在2015年實(shí)現(xiàn)比特?cái)?shù)3 的量子芯片。目前這一目標(biāo)已實(shí)現(xiàn)，而啟動(dòng)的“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)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?cái)?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(jì)算，并且全球已經(jīng)有上百家的量子計(jì)算創(chuàng)業(yè)公司，發(fā)展非常快速，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(fù)重前行

做個(gè)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(jì)算機(jī)發(fā)展的里程碑拐點(diǎn)。

不過這兩種芯片都離產(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(tuán)隊(duì)獨(dú)自奮戰(zhàn)。

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