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？

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鍵性突破；

量子芯片：8月25日中國科技大學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現(xiàn)60量子比特的超導量子系統(tǒng)，并且有望在5年后實現(xiàn)千個量子比特的系統(tǒng)。

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，又被美國科學家賦予個新的稱號：“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(xiàn)出超越所有經(jīng)典計算機的計算能力。實現(xiàn)“量子霸權”可以將人類直接帶入科學的下一個維度，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，美國的麻省理工學院和中國的北京大學，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，麻省理工學院（以下稱 MIT）電氣工程與計算機科學系助理教授馬克斯·舒拉克，帶領團隊在《自然·電子學》雜志發(fā)表了題為《在商用硅制造設施中制造碳納米管場效應晶體管》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，從而讓工業(yè)設備制造碳管成為可能。他們表示，這將促進碳管盡快應用到商業(yè)中。

而該技術是利用現(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，就是沖著產(chǎn)業(yè)化去的，但該技術有個最大的癥結，就是性能太差，目前所取得的成績僅相當于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)鏈關鍵技術都被國外壟斷，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、高純半導體陣列的碳納米管材料，在此基礎上還首次實現(xiàn)性能超越同等柵長硅基 CMOS 技術的晶體管和電路（CMOS，互補式金氧半導體），首次制備出性能超越同等柵長硅基CMOS技術的碳納米管陣列，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，如果我國能在碳基芯片的制備技術上走出自己的產(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”

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”，這種霸權是可以無視現(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分別代表0和1，電子管數(shù)量越多，也就是開關越多，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)超越了我們人類目前的想象極限，這就是“量子霸權”。

按照科學家的預測，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，表示成功實現(xiàn)了“量子霸權”。

• 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化反應。這意味著用計算機的計算能力，可以還原化學反應，創(chuàng)造一個完全數(shù)字化的復雜世界。

• 2020年8月25日，中國科技大學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現(xiàn)60量子比特的超導量子系統(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，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。目前這一目標已實現(xiàn)，而啟動的“十三五”重點研發(fā)計劃“半導體量子芯片研究”，要求2020年前獲得品質因子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，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。