碳基晶片剛獲突破，量子晶片又傳捷報，一文科普兩種晶片有何不同

隨著矽基晶片進入10nm以下，越來越接近物理極限，摩爾定律即將在矽基晶片上失效。晶片的出路在何方？

目前全球主要有兩種下一代晶片在研：碳基晶片和量子晶片，而中國也在其中。

碳基晶片：我國北大彭練矛和團隊在2020年5月26日宣布碳基晶片半導體製備材料取得關鍵性突破；

量子晶片：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60量子比特的超導量子系統，並且有望在5年後實現千個量子比特的系統。

我國碳基晶片和量子晶片雙雙傳來好消息

矽基晶片、碳基晶片和量子晶片到底誰更有前景呢？舉個形象的例子幫助大家理解：

如果說矽基晶片是馬車；

那碳基晶片就是汽車；

量子晶片既不是高鐵、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出超越所有經典計算機的計算能力。實現「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。

「量子霸權」將把人類引向何方

但量子晶片領域離商業化還很遙遠，目前還需靠碳基晶片維持現有產業鏈的過渡。

碳基晶片中美的不同道路

碳基晶片相對傳統的矽基晶片有著成本更低、功耗更小、性能更佳的優勢。

碳基晶片研發目前有兩家處於第一梯隊，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晶片上努力了十幾年，並且都於近期取得了成就。

1.美國麻省理工（MIT）的碳基晶片製備工藝與現有的矽基晶片兼容，可以更快產業化，但性能很落後。

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》雜誌發表了題為《在商用矽製造設施中製造碳納米管場效應電晶體》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，從而讓工業設備製造碳管成為可能。他們表示，這將促進碳管儘快應用到商業中。

MIT 助理教授馬克斯 · 舒拉克

MIT 團隊展示論文成果

而該技術是利用現有的矽基晶片產業鏈進行製備（如光刻機和EDA軟體），，MIT的碳基晶片製備技術，就是衝著產業化去的，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於30年前的矽基晶片性能，離真正的取代矽基晶片，還差的很遠。

2.中國北大創新性地研發出大面積製備碳納米管排列的工藝，性能超越矽基晶片，但產業鏈形成還需時日。

而中國的碳基晶片則完全不同，目前現有的矽基晶片產業鏈關鍵技術都被國外壟斷，如果繼續走MIT的老路，無疑還是會被卡脖子，北大彭練矛團隊就開發了一種全新的提純和自組裝方法。

利用該方法可以製備出高密度、高純半導體陣列的碳納米管材料，在此基礎上還首次實現性能超越同等柵長矽基 CMOS 技術的電晶體和電路（CMOS，互補式金氧半導體），首次製備出性能超越同等柵長矽基CMOS技術的碳納米管陣列，純度高達99.9999%。

北大彭練矛和團隊宣布碳基晶片半導體製備材料取得關鍵性突破

北大團隊成功製備出的5nm柵極碳納米管COMS器件，速度兩倍於英特爾最新商用矽電晶體，能耗卻只有矽晶的四分之一，展示出10nm以下碳基晶片的巨大商用價值，性能遠超MIT的研究。

我國碳基工藝的應用驗證

但我國的碳基晶片也存在兩個問題：

一是採用了全新的製備方式，所以整個產業鏈需要重建，不像MIT可以利用現有的矽基晶片產業鏈快速商業化（正好可以藉機重構我國的晶片產業鏈，不會受制於人）。

二是我國的企業大多都是等有了成果才會介入，不像國外提前投資研發，這也給我國碳基晶片的產業化帶來了時間和投入上的限制。

好消息是華為等企業已經與彭練矛團隊取得了接觸，這為下一步快速產業化打下了良好的基礎，如果我國能在碳基晶片的製備技術上走出自己的產業化之路，那未來晶片產業將不再會被國外卡脖子，並走上晶片製造的制高點。

華為已經布局碳基晶片

量子計算機為何被定義為「量子霸權」

碳基晶片只能說是在現有的晶片體系上繼續延續「摩爾定律」，由碳基晶片接棒矽基晶片，繼續以18個月翻一倍性能的速度前進。

但量子晶片的出現，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有經典計算機的。

量子計算機的原理

這裡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位來進行計算的，二進位由0和1組成，計算機的電子管就用開和關分別代表0和1，電子管數量越多，也就是開關越多，則能代表的二進位數值就越多，計算能力就越強，現在的電子管都做成了納米級，7nm就是一個電晶體，在指甲蓋大小的面積上就可以布設數十億個電晶體，這就是經典計算機的基本原理。

而在量子計算機中，由於量子處於疊加態，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，這就超越了傳統電晶體只能是0或1的狀態，傳統經典計算機一個比特只能代表一個狀態，量子計算機一個比特可以是2^N個數，隨著數量的增加，其存儲能力呈指數級上升，一個250量子比特的存儲器（由250個原子構成）可能存儲的數達2^250,比現有已知的宇宙中全部原子數目還要多。

量子計算機的計算能力呈指數級增長

看到這裡大家應該知道了，量子計算機不用數十億個電晶體進行運算，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量的總和。

不要說以現有的矽基晶片數十億個電晶體來算，哪怕是按照我國潘建偉團隊宣稱的有望5年實現千個量子比特，其性能都已經超越了我們人類目前的想像極限，這就是「量子霸權」。

按照科學家的預測，50個左右的量子比特，就可以超過傳統經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，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；

IBM發布的商用量子計算機原型

• 2019年9月谷歌以53個量子比特，讓量子系統花費約200秒完成傳統超級計算機要1萬年才能完成的任務，表示成功實現了「量子霸權」。

谷歌宣布實現「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，創造一個完全數位化的複雜世界。

• 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60量子比特的超導量子系統，並且有望在5年後實現千個量子比特的系統。

• 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。

潘建偉在量子實驗室工作

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年實現比特數3 的量子晶片。目前這一目標已實現，而啟動的「十三五」重點研發計劃「半導體量子晶片研究」，要求2020年前獲得品質因子1000、比特數6的量子晶片。

從企業的角度來看，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，並且全球已經有上百家的量子計算創業公司，發展非常快速，也已經有非常好的成果展現。

碳基和量子晶片都還在路上，雖荊棘滿布但仍需負重前行

做個簡單的總結，矽基晶片已經到了物理極限，碳基晶片將要接棒矽基晶片延續「摩爾定律」，量子晶片將迎接計算機發展的裡程碑拐點。

不過這兩種晶片都離產業化還有距離，同時企業也需加大參與的力度，不能只靠科研團隊獨自奮戰。

晶片之困破局任重而道遠，但好在我們已在下一代晶片布局上處於第一團隊，雖然現在傷痕累累，但未來可期。

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毛澤東詩詞《憶秦娥·婁山關》

西風烈，

長空雁叫霜晨月。

馬蹄聲碎，

喇叭聲咽。

雄關漫道真如鐵，

而今邁步從頭越。