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60量子比特的超導量子系統，并且有望在5年后實現千個量子比特的系統。

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。

但量子芯片領域離商業化還很遙遠，目前還需靠碳基芯片維持現有產業鏈的過渡。

碳基芯片中美的不同道路

碳基芯片相對傳統的硅基芯片有著成本更低、功耗更小、性能更佳的優勢。

碳基芯片研發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有的硅基芯片兼容，可以更快產業化，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中。

而該技術是利用現有的硅基芯片產業鏈進行制備（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.中國北大創新性地研發出大面積制備碳納米管排列的工藝，性能超越硅基芯片，但產業鏈形成還需時日。

而中國的碳基芯片則完全不同，目前現有的硅基芯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，所以整個產業鏈需要重建，不像MIT可以利用現有的硅基芯片產業鏈快速商業化（正好可以借機重構我國的芯片產業鏈，不會受制于人）。

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，這也給我國碳基芯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，如果我國能在碳基芯片的制備技術上走出自己的產業化之路，那未來芯片產業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有的芯片體系上繼續延續“摩爾定律”，由碳基芯片接棒硅基芯片，繼續以18個月翻一倍性能的速度前進。

但量子芯片的出現，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，電子管數量越多，也就是開關越多，則能代表的二進制數值就越多，計算能力就越強，現在的電子管都做成了納米級，7nm就是一個晶體管，在指甲蓋大小的面積上就可以布設數十億個晶體管，這就是經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，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，這就超越了傳統晶體管只能是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。

看到這里大家應該知道了，量子計算機不用數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量的總和。

不要說以現有的硅基芯片數十億個晶體管來算，哪怕是按照我國潘建偉團隊宣稱的有望5年實現千個量子比特，其性能都已經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；

• 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”。

• 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60量子比特的超導量子系統，并且有望在5年后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。

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 的量子芯片。目前這一目標已實現，而啟動的“十三五”重點研發計劃“半導體量子芯片研究”，要求2020年前獲得品質因子1000、比特數6的量子芯片。

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，并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，硅基芯片已經到了物理極限，碳基芯片將要接棒硅基芯片延續“摩爾定律”，量子芯片將迎接計算機發展的里程碑拐點。

不過這兩種芯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。

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，雖然現在傷痕累累，但未來可期。