量子芯片上場(chǎng)，光刻機(jī)跌落神壇？

本文來(lái)源：5G通信

英特爾創(chuàng)始人之一戈登·科曼(GordonKemen)在1965年發(fā)現(xiàn)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，即單個(gè)處理芯片上可以容納的晶體管數(shù)量每18-24個(gè)月就會(huì)翻倍，CPU的特性也會(huì)翻倍。

本來(lái)呢，大家也可以不當(dāng)真，聽(tīng)他吹牛逼就完事兒了。但是好死不死，大家都當(dāng)真了。

在消費(fèi)者和下游生產(chǎn)商對(duì)于更強(qiáng)大計(jì)算機(jī)性能的需求驅(qū)使下，芯片行業(yè)的人真的是按照摩爾定律18到24個(gè)月性能要翻倍在要求自己，你跟不上就會(huì)被淘汰。

ASML光刻機(jī)

于是在芯片生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)出現(xiàn)了像ASML光刻機(jī)這樣集成人類目前為止最高科技的怪物。

翻開(kāi)ASML的供應(yīng)鏈列表，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它的所有供應(yīng)商都是業(yè)內(nèi)最頂尖的。

ASML的供應(yīng)鏈列表：

光刻機(jī)的工藝精度很大程度上取決于其光源的波長(zhǎng)，ASML用的13.5nm波長(zhǎng)極紫外EUV光源，來(lái)自于美國(guó)的Cymer公司。

它的實(shí)現(xiàn)原理是用13.5nm波長(zhǎng)的深紫外光精準(zhǔn)打擊直徑20微米的液態(tài)金屬錫，而且要在它掉落過(guò)程中連續(xù)擊打兩次，第一次把錫液滴打平，第二次才能激發(fā)出足夠強(qiáng)度的13.5nm波長(zhǎng)極紫外光。

通過(guò)光源繪制電路的曝光制程

ASML的鏡片供應(yīng)商是德國(guó)的老牌鏡片供應(yīng)商卡爾蔡司，他們提供一種極其極其光滑的，只反射13.5nm波長(zhǎng)光的反光鏡。

有多光滑呢？如果把直徑30cm的鏡片放大到地球那么大，最多只有一個(gè)頭發(fā)絲這樣高度的凸起。這應(yīng)該是人類制造的最光滑的物體。

ASML的磁懸浮雙工件臺(tái)系統(tǒng)是自研的，可以做到兩個(gè)工作臺(tái)同步運(yùn)動(dòng)，誤差不超過(guò)2nm。

可以看出ASML光刻機(jī)是人類內(nèi)卷極致的產(chǎn)物，是真正工業(yè)皇冠上的明珠。

新華社2月28日消息，由中國(guó)科研人員主導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)在美國(guó)《科學(xué)進(jìn)展》期刊上發(fā)表了一篇論文，論文中提到團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研發(fā)出了一種新型可編程光量子芯片，可實(shí)現(xiàn)多種圖論問(wèn)題的量子算法求解，有望應(yīng)用在數(shù)據(jù)搜索、模式識(shí)別等領(lǐng)域。

這種新型可編程的光量子芯片，被外界看做是繞開(kāi)光刻機(jī)的辦法之一。據(jù)悉，光量子芯片的主導(dǎo)團(tuán)隊(duì)是國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院QUANTA團(tuán)隊(duì)聯(lián)合軍事科學(xué)院、中山大學(xué)等國(guó)內(nèi)外單位。該芯片采用硅基集成光學(xué)技術(shù)，通過(guò)微納加工工藝在單個(gè)芯片上集成大量光量子器件，對(duì)實(shí)現(xiàn)量子信息的編碼和量子算法的映射，具有高集成度、高穩(wěn)定性、高精確度等優(yōu)勢(shì)。

這種新型光量子芯片雖然也是采用微納加工工藝，但主要是在單個(gè)芯片上集成大量光量子器件，由于生產(chǎn)原理上的不同，所以可以繞開(kāi)光刻機(jī)的限制。

一旦量子芯片成功商用，諸如7nm、5nm等制程工藝的研究將失去原有的意義，芯片制造領(lǐng)域也將邁進(jìn)一個(gè)新的里程，而過(guò)去讓無(wú)數(shù)芯片制造企業(yè)趨之若鶩的高端光刻機(jī)也將跌落神壇，我們?cè)谛酒圃焐弦矊⒏鎰e過(guò)去被卡脖子的境況。

我們知道，現(xiàn)在的芯片的精度就是最小的晶體管的直徑，采用了半導(dǎo)體技術(shù)和光刻機(jī)之后，我們可以把一個(gè)晶體管的徑長(zhǎng)降低到5納米之內(nèi)，從而大大增加集成度，達(dá)成了更豐富的功能。

可是理論上來(lái)說(shuō)，采用激光刻錄的芯片，最小的徑長(zhǎng)取決于原子的直徑，就是采用一個(gè)原子來(lái)做晶體管的時(shí)候，它的徑長(zhǎng)，決定了芯片的極限精度。

這個(gè)精度是多少？

臺(tái)積電公布大約是0.1nm！氫原子大小的極限芯片，就是光刻機(jī)的物理極限。

先不說(shuō)光刻機(jī)的波長(zhǎng)問(wèn)題，學(xué)過(guò)器件的人就知道，穩(wěn)定、性能可控的界面態(tài)需要十個(gè)~數(shù)十個(gè)原子排排坐，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的硅平面器件已經(jīng)到頂了。

隨著摩爾定律的逐步失效，單個(gè)處理芯片上晶體管數(shù)量的增加已經(jīng)接近物理的極限，大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)計(jì)算系統(tǒng)功耗和速度要求的卻不斷提高。

戈登分子發(fā)現(xiàn)的“規(guī)律性”可能無(wú)法持續(xù)，除非有技術(shù)創(chuàng)新。

“技術(shù)創(chuàng)新”可能的方向之一是用光量子代替?zhèn)鹘y(tǒng)集成電路芯片中的電子器件來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)和進(jìn)行計(jì)算。也就是說(shuō)，“光代替電”，“光量子處理芯片”用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集成電路芯片處理芯片。

不同于集成電路芯片處理芯片，許多微電子電子器件（晶體管、電阻、電容等）必須放在塑料底座上才能生產(chǎn)集成電路芯片。硅光量子處理芯片由硅制成。利用硅強(qiáng)大的光路由器工作能力，根據(jù)釋放的工作電壓創(chuàng)建連續(xù)的激光驅(qū)動(dòng)硅光量子組件，完成光信息含量的傳輸和計(jì)算?！耙怨獯姟庇腥齻€(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。

第一，光的網(wǎng)絡(luò)帶寬遠(yuǎn)大于電子設(shè)備；

第二，與電相比，光不易受影響；

第三，光本身可以做一些計(jì)算。

這樣，光量子處理芯片就有可能大大提高處理芯片的特性，使摩爾定律得以持續(xù)。

縱觀世界上硅光量子的發(fā)展趨勢(shì)，英國(guó)是硅光量子最開(kāi)始流行的國(guó)家，也是現(xiàn)階段發(fā)展趨勢(shì)最先進(jìn)的國(guó)家。早在20年前，就利用CMOS生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)啟了對(duì)硅光量子的探索和深入分析。

現(xiàn)階段，英國(guó)硅量子剛剛在Facebook、Google等企業(yè)開(kāi)始量產(chǎn)，加工芯片發(fā)光級(jí)已經(jīng)完成演示級(jí)，將很快進(jìn)入量產(chǎn)。

谷歌的72 位量子比特的量子處理器 Bristlecone

而在中國(guó)，硅光量子的大規(guī)?？蒲惺窃?010年左右開(kāi)始的。過(guò)去以學(xué)術(shù)研究為主的科研比較普遍，導(dǎo)致中國(guó)在硅光量子的實(shí)際過(guò)程中不如英國(guó)。而中國(guó)在硅光量子技術(shù)研發(fā)上的大規(guī)模人才和資產(chǎn)投入，卻推動(dòng)了發(fā)展趨勢(shì)不晚于英國(guó)十年。

中國(guó)在硅量子產(chǎn)業(yè)的積累就像十年磨一劍。據(jù)專家預(yù)測(cè)，在2022年至2025年大規(guī)模生產(chǎn)的情況下，憑借優(yōu)秀的人才、加工芯片的驅(qū)動(dòng)力、加工技術(shù)、資產(chǎn)和銷售市場(chǎng)，中國(guó)的硅量子技術(shù)應(yīng)該有很好的機(jī)會(huì)跟上英國(guó)。

但是，說(shuō)句實(shí)在話，就我國(guó)目前的缺芯現(xiàn)狀，光量子芯片對(duì)于我們來(lái)講是比火星還遠(yuǎn)的存在，是“遠(yuǎn)水解不了近渴”。等光量子芯片解決一個(gè)又一個(gè)技術(shù)難題，然后再量產(chǎn)商用時(shí)，也不知道會(huì)等到哪個(gè)猴年馬月。

所以，聽(tīng)到我國(guó)這方面的科研成果，心里有個(gè)數(shù)就行了。雖然還沒(méi)有實(shí)際地走入尋常百姓家，惠及每家每戶，但是我國(guó)近年來(lái)一直瞄準(zhǔn)世界科技前沿，將其作為重要強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略之一，未雨綢繆，正是為了未來(lái)進(jìn)入新時(shí)代的時(shí)候，不再走在別人后面，像今天一樣處處受人制肘。

中國(guó)芯壯大要經(jīng)歷的種種磨煉，可能還要再以十年為單位來(lái)計(jì)算，背后消耗的財(cái)力、人力、時(shí)間，可能會(huì)是一個(gè)又一個(gè)新時(shí)代的“范弗利特彈藥”。但每一個(gè)中華兒女都有決心，也有定力，在這場(chǎng)持久戰(zhàn)中，把我們的行業(yè)“短板”扎扎實(shí)實(shí)補(bǔ)齊，一步一個(gè)腳印地做下去。

羅馬不是一天建成的，中國(guó)“芯”之路，沒(méi)有捷徑可走。

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