半導體的極限工藝是1nm嗎？

OFweek電子工程網訊 也許您正酣戰於德拉諾大陸，也許您正在用office處理日常工作，無論您正在用電腦做著什麼，當某個不經意的瞬間瞥見機箱里合著輕輕的嗡嗡聲工作的CPU/顯卡的時候，您有沒有考慮過這樣的問題——我們的PC會不會在哪天走到盡頭呢？

沒有什麼東西是永遠存在的，誰都有走向終點的一天，我們和PC都不會例外。PC以及電子計算機體系建立在現代半導體技術基礎之上，這一領域在過去的幾十年間曾經多次遇到發展的瓶頸，而且也不止一次的被宣布已經瀕臨崩潰的邊緣，但我們的確很少去量化的思考PC以及電子計算機體系究竟將會在何時終結的問題。

我們的PC乃至整個電子計算機體系距離終點還有多遠？有沒有誰能充當電子計算機以及PC的繼任者？在那之前我們都能做些什麼呢？

1nm之下就是命運

視界之外（光錐之內）是命運，這是物理學的一句名言，通俗翻譯的意思也可以延伸為「我們目視所及之外的未知只能交給命運來決定」，用這句話來形容PC以及電子計算機的極限是相當合適的。

其實PC的理論極限距離我們還很遙遠，即便是在「遠古」的上世紀八十年代，可預期的甚至是可以通過模型在實驗室中實現的基於光刻技術的電子元件的幾何尺寸也可以達到幾個埃（0.x納米），如果以今天的技術來衡量，我們甚至可以把元件的尺寸做到原子級，但是理論上能夠實現並不代表在工業級的場合能夠造得出來。半導體工業畢竟是一門把技術轉變成消費品和財富的手藝，它始終要遵從可製造性原則的限制，能夠在實驗室當中實現與能夠造出來賣錢/使用完全是兩個次元的概念，當前技術範疇下的電子計算機在可製造性方面還是存在極限的。當工藝觸及到這一極限而又無法突破時，電子計算機的終點也就到了。

PC/電子計算機的極限源自多個層面，包括但不限於光刻反應速率，刻線寬深比，光刻穩定性，EoT（等效氧化物曾厚度）極限，基底隧穿以及柵極減薄隧穿，還有由此一系列問題所帶來的下游效應和……不計其數的問題，這裡涉及太多物理學（同時包括宏觀物理學和量子物理學）、物理化學、材料學以及反應工程學方面的知識，說多了全是淚，所以我們不再繼續深入討論，而是根據綜合信息直接給出目前所能夠規划到的半導體工藝極限——1nm。

在線寬低於1nm時，目前及可見未來的技術均無法突破可製造性問題以及物理表達形式層面的極限，晶元可以被製造出來，但它的運行狀態以及良率完全無法得到有意義的保證，因為這一尺度的量子效應會更明顯的反映出觀察者的存在和干擾，我們甚至沒法知道一顆掛掉的晶元究竟是哪裡壞了又為什麼壞了，無論收集問題還是解決問題都無從談起。1nm工藝就是當前半導體工藝的光錐和視界，現在沒有人知道1nm之後的半導體工業會發生什麼，所以1nm就是當前技術環境下PC以及電子計算機的「命運」，無論CPU、顯卡、內存還是硬碟都無法迴避。

1nm工藝距離現在還有多少時間呢？粗略算下來，在不考慮半代工藝的前提下，半導體工業還有14/10/7/5/3以及2nm工藝總計6代的可發展餘地，按照當前節奏來看起碼還應該有144~216個月左右的周期（考慮到工藝下探難度的提升以及需求放緩導致的增速放緩，我們將工藝升級周期從摩爾定律周期模糊處理至24~36個月）。換句話說，如果問題在18年內得不到解決或者提出具有可行性的解決模型，電子計算機以及基於電子計算機技術的現有形態PC就算是到頭了。

那麼之後呢？大家坐下來安靜的無聊發獃么？我們覺得應該不會。人類在一般情況下都不會在遇到難以逾越的障礙時選擇迴避並靜待消亡，他們總能找到解決問題的其他突破口，更何況計算能力是現代以及未來人類文明不可或缺的組成部分，任其消亡無疑意味著人類文明的消亡，所以儘管還有幾十年的時間，但電子計算機的繼任者們已經在路上了，這些繼任者包括但不限於如下這些各位也許已經耳熟能詳的傢伙——量子計算機，光子/光電子計算機和DNA計算機。

「糾纏」，25年之後的希望

電子計算機最「科幻」、最具希望、最被公眾所期待同時也是最難以被理解的繼任者，毫無疑問的當屬量子計算機。顧名思義，量子計算機基於量子以及量子比特作為運算基礎，使用粒子的糾纏態、退相干過程或者隧穿效應等量子效應來完成運算，能夠達到常規電子門電路無法達到的運算速度和並行度。不過有介於糾纏態以及退相干過程與宏觀及日常經驗認知之間巨大的差異，我們不打算在這裡白費力氣的去解釋這兩種現象……跟量子力學一樣，量子計算機以及量子比特也屬於「根本就不是要讓人明白」的那種存在。

儘管原理難以被理解，但量子計算機的發展速度相對其他方案而言完全稱得上動力全開，這種新的計算模式已經有了許多接近具備解決實際問題能力的原型機，比如Google斥數千萬美元巨資分別購買的兩台基於量子計算原理的實驗性超級電腦——D-wave以及D-wave2，雖然這兩台量子計算機基於量子退火（亦即隧穿效應，一種……好吧，一種能夠讓粒子隔空瞬移的魔法）而非糾纏態量子門電路（令粒子處於相干糾纏態的邏輯門電路結構），但Google仍宣稱這兩台量子計算機在經過充分優化之後在解決自然解優化問題（該問題對於AI、大數據高效檢索以及圖像識別等領域有重要意義）時擁有數千倍於傳統電子計算機的性能。而採用原教旨的量子門電路解決方案，則擁有比D-wave系列更快的運算速度以及更大的應用廣度。

人類首台商用量子計算機——D-wave

儘管發展迅速並且前景誘人，您也先別急著激動或者暢想關於量子PC的未來，這玩意距離實現還有相當遙遠的距離並且困難重重。

量子計算過程並非基於二進位，這與現行的電子計算機計算體系有著巨大的衝突，而且量子計算並不能進行現實意義上的邏輯運算，它僅能利用糾纏態完成運算然後輸出同樣處於糾纏態的結果，這些結果處在無法操作的狀態，需要複雜的轉換過程才能變成具有實際意義的結果，這帶來了大量的重建協議工作，所以目前量子計算還僅用於加解密以及部分數學問題等特殊且極具針對性的領域，並不具備進行實際通用計算或者與現有電子計算體系融合的能力（D-wave系列已經算是一次這個方向的嘗試了）。

量子計算的民用化也存在相當現實的障礙，比如說為了抑制熱雜訊以及粒子熱振動對維持糾纏態的影響，大部分量子計算機的原型都需要超導級低溫的協助，以可接受的成本和形式在卧室或者辦公桌上實現持續穩定的零下200度以下環境不是一件容易的事，所以如果未來的技術無法在常溫環境下構築量子門電路的話，預測量子計算機PC化無異於寫科幻小說——首先，您要先有一台憑藉核心科技讓每天耗電低至一度的，能夠將一台機箱大小的元件順利冷卻至超導溫度（還不能凍到外面）的冰箱，最好還是變頻的……

所以說，我們也不知道量子PC什麼時候才能出現，思考它是否會替代當前的PC也沒有什麼意義。我們真正需要的，是把量子計算機甚至量子計算機集群同雲體系結合在一起。基於雲環境的量子計算機體系，即中央超級處理器集群和單純呈現節點相結合的環境在理論和技術上都相對容易實現，我們只需要在超級計算機層面實現可用型的量子計算機，然後以此來構築雲端計算能力並把科幻冰箱等等煩人的問題都丟給集群解決，接著在每個人的手中發一個類似平板電腦一樣的呈現端就大功告成了。

如果市場環境（主要是構築雲所需的帶寬環境）能夠接受，同時量子計算在技術、協議以及編程環境等領域均發展穩定且可以正常提速的話，我們認為這樣的遠景在25~35年之後可以實現，如果人類在退相干領域取得決定性的技術突破並伴有重大需求刺激，這一進度最多可以提前到15年左右。取個中數的話，也許20~25年之後，您就能捧著一個小窗口暢快的享受量子計算帶來的「一股神秘的速度」了。

上帝說，要有光

當然，我們不能在一棵樹上弔死，量子計算體系雖然誘人而且具備可實現性，但僅探索一種發展方向顯然是不夠的，更何況量子計算還存在特別基礎的「與現有計算體系相容難度極大」的問題。所以人類也搞了些相對簡單的玩法，那就是光子計算機以及光電子計算機。

光子/光電子計算機並沒有量子計算機那麼「玄幻」，它所基於的基礎理論是相當簡單自然的光學和光電效應。光子計算機使用光子來替代電子完成運算及操作過程，除了需要發光元件（激光器）以及對應的光導纖維作為「導線」之外，它並沒有提出太多過分的技術要求，所以曾經一度被認為是最有希望替代電子計算機的新計算方式。

光子擁有相對論範圍內最快的速度，本身沒有質量，與自身及其他物質的相互作用遠低於電子，所以光子/光電子計算機的能耗低，避免了電子在速度、傳輸能量損失以及工作發熱等層面的束縛，信號傳輸及處理快，具備先天的並行傳輸/存儲信息能力，而且可處理數據類型相當廣泛並且「實在」，對現有的二進位體系相對友好，如果基於光電轉換/電開關，現有計算協議可在相當程度上予以保留。

優勢明顯吧，是不是又開始YY光子PC的美好未來了？別費勁了……我們必須很抱歉的告訴您，光子計算機未必能比量子計算機早實現。

較低的「理論難度」並不意味著同樣較低的「實現難度」，人類雖然已經擁有了數百年（鏡子不能算，我們以牛頓開始分光處理並系統研究光學起計）成熟的操作和控制光線的歷史，但在微觀領域完成同樣的事卻並不容易。在半導體層面實現小尺寸可用光學元件，尤其是可以在常規環境下穩定使用的光柵開關仍存在困難，技術瓶頸相當明顯。而如果使用光電轉換將光信號轉化回電信號加以處理，協議複雜不說介面部分的速度還難以提升，所以光電子的運算速度起碼在現在看來沒什麼優勢可言。

既然是上帝能夠創造了光，我們何時才能用光來計算恐怕也只有上帝知道了。

天堂入口還是地獄之門

量子計算機和光子/光電子計算機都不是短時間以內能夠實現的替代方案，那麼DNA計算機呢？

天生高度並行，能耗極低，體積超小，協議重建難度介乎於量子計算機與光子計算機之間，運算模式與神經系統最為接近，運算結果可以和特定生化過程同步完成並直接將運算結果呈現為實驗結果，在解決可以充分網格化的非順序問題時有獨特優勢……基於DNA/RNA分子及基因編碼序列，以生化過程完成計算的DNA計算機雖然距離傳統意義上的「計算機」最遙遠，但卻擁有令人難以拒絕的種種優勢。只需要一滴水大小的溶液，其中成百上千億的DNA分子就能超快速的搞定各種難解的數學問題，如果用它來打造超強PC，那豈不是相當美好的未來圖景？

sorry，還是不行，DNA計算機別說做成「一滴水大小的PC」了，就是做成字面意義上的「計算機」都還不可能。

與量子和光子計算相比，DNA計算的起步最晚而且完成度也最低，幾乎還沒有真正意義上的計算原型機，絕大部分所謂的DNA計算模型都還只是試管里或者顯微玻片上的一抹溶液。與前兩者相同的是，DNA計算現階段的應用範圍同樣狹窄，它只能被用來解決特定的數學問題而非通用計算問題，其結果表達形式也相當複雜，需要重建的協議仍舊極多，甚至連最基本的IO介面都難以構築，對二進位體系的友好程度無法量化判明。

DNA計算對環境的要求甚至遠超需要超低溫製冷的量子計算機，它要求絕對純凈的環境，即便是試管上最小的污漬也會給計算過程帶來毀滅性的影響。DNA計算基本上還處在理論階段，距離實用還有相當遙遠的距離。

不僅如此，DNA計算還存在層級或者說逼格甚高的非技術性問題——將龐大的計算能力、有序性以及邏輯性賦予理論上擁有自我複製以及形成生命潛力的存在形式，您不覺得這是個極端危險的決定么？DNA本來就是生命的基礎，地球上所有生命形式都是構築在DNA/RNA分子的生化行為之上的，如果肆意改變DNA/RNA的編碼體系，讓DNA/RNA具備了龐大且有序的運算能力，甚至是自反饋性以及目的性，一旦觸發某個方向上的耗散系統的自組織現象，甚至由此而產生了AI或者類似AI的有序自主存在形式，其結果可能是不堪設想的。

計算機如果因為強大的運算能力而產生了AI，那也不過是機械或者某些有爭議的智慧體而已，如果DNA運算體系產生了AI，其產物可就有可能是毫無疑問的「新的智慧生命」了……

不可否認，DNA計算的特性造就了其無可替代的價值，未來的醫學、生化以及生物學研究將會越來越多的從其中獲益，諸如拓撲學、任務的無損拆解及網格化還有神經系統模型的研究也能因DNA計算模型中得到幫助，但DNA計算應該存在不可逾越的紅線——不要觸及實際的通用運算任務，不要形成系統性的計算體系，更不要拿它來替代電子計算機。

一個難懂而且起碼要等上2.30年的時間，另一個難實現而且還不知道什麼時候可以被實現，最後一個更難實現而且乾脆就不要被實現的好……我們這期科技預言壇的目的在於展示PC/電子計算機時代的極限以及「後PC時代」的繼任者風貌，雖然可以相對輕鬆的知曉終點何在，但從繼任者的角度上看，PC發展進入死胡同之後的未來圖景似乎相當令人難堪。

在終點前尋找新的起點

毋庸置疑，如果電子計算機體系壽終正寢，整個產業以及我們的生活都將會隨之發生巨變。無論用哪種技術手段接替，屆時要更換的都將不僅僅有設備，還有幾乎所有內外部協議和應用環境，這不光是技術的問題，同時也是產業、消費者甚至社會環境的大問題。除了成本堪稱天文數字，對整個人類的文明也將會產生未知且深遠的影響。

在這種開不得玩笑的時候，我們今天面對的這三位的表現卻似乎都……除非有重大的產業級乃至社會級的變故加以刺激，否則電子計算機的極限極有可能會先於備選接替者們到來，無論量子計算機，光子/光電子計算機還是禁忌級的DNA計算機應該是都趕不上節奏了。到時候迎接我們的，將很有可能會是無奈的停滯不前……

工藝的極限是存在的，如果無法突破同時又沒有繼任者，在現有環境下繼續進行技術改進並尋求新的解決方案就成了必要的手段，比如說出現在當前GPU業界的「向邏輯結構而非工藝要效率」的設計思路無疑是有益的嘗試。如果能在相同工藝環境下通過優化邏輯結構設計來提升硬體架構的性能功耗比，我們就有了更晚觸及工藝極限的正當理由。當然，由於邏輯門電路的基本結構已經幾無優化餘地，對其宏觀組合方式的優化並不能讓我們永遠迴避性能滯漲的問題，最後回到向頻率要性能的路上是唯一的結局。但對於打著摩爾定律的旗號向終點發足狂奔的整個PC及電子計算機業界而言，這種嘗試無疑提供了寶貴的時間緩衝以及需求緩衝。

包括憶阻器以及碳納米管在內的一系列新元件也許是PC潛在的元件級技術希望，這其中尤其以憶阻器最為引人矚目，作為新近發現的第四基本元件，憶阻器斷電之後狀態信息不丟失的特性給PC以及電子計算機體系帶來了新的希望，它甚至被譽為「晶體管和現有數字邏輯電路的替代者」。但是憶阻器本身的研究進展剛剛起步，大部分細節以及專利均掌握在惠普手中，而且並沒有表現出能夠讓我們通過1nm關卡的趨勢，還有沒有其他可行性更高的方案來充當備份呢？

基於超大規模集群和高帶寬低延遲通訊協議的雲計算/雲應用環境也是未來之一，它能改變現有的PC存在形式，將「採購本地運算能力」變成「採購超大規模運算能力當中的一部分」，這等於把PC的運算極限從單台/本地級別大幅提升到集群規模，將受迫於工藝極限的單節點硬體性能的瓶頸轉嫁給集群，因此理論上可以讓個人/單節點運算能力大幅提升到完全滿足任何需求的地步（只要有錢……）。如果雲技術能夠充分實踐化，PC或者說接近我們現在意義上的個人PC節點的極限起碼可以再推後10年左右，儘管在那之後增長仍將會停止，但這段緩衝期無疑是寶貴的。而且雲體系的建立，本身也與量子計算機及量子計算的民用普及條件不謀而合，不信您可以翻翻第三頁看看（如果錯過了的話……）。

總之，以今天可見的眼光來看，對於PC以及電子計算機發展到盡頭這件事兒，我們大概還有15~20年可以安然等待的時間，在這段時間裡，就讓我們擦亮眼睛仔細把握每一次關鍵性的技術進步吧。

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