了解EUV光刻技术在我国半导体芯片技术现状与差距

芯片也被称作集成电路，integrated circuit即IC，是一种将半导体元器件、被动组件等小型化的方式，可以把数量庞大的微晶体管集成到一小小的芯片上。

所以芯片是由一个个的晶体管，各式固态半导体组件（二极管、晶体管）组成，20世纪中后期半导体技术的进步使得集成电路也就是芯片成为可能，相比于手工组装使用分离的电子组件集成电路更加稳定、高性能（小尺寸短路径，低功率组件快速开关，能耗低）、低成本（照相平板技术，生产效率高）。

芯片为什么这么重要

过去国家与民族之间争夺的是如土地、人口、燃料、市场等物质资源，这类资源需要基础交通的链接，于是我们建造了众多的道路与桥梁来运输该类资源并让其发挥作用。如今至二战以来基础科学并未出现实质性的突破，能源、材料等多领域停滞不前。而人总是在追求更加优越的生活，如今数字基建已经成为新的增长点。

一、数字基建：

处于数字经济时代的我们，数据已经成为核心生产要素和战略资源，围绕数据全生命周期的网络、存储、计算、应用等基础软硬件成为生产生活、社会发展不可或缺的新基础设施，通过这些新型基础设施实现对物理空间背后“不可见世界”的管理。立足于当下国际形势与此次疫情的冲击，数字基建能有效拉动投资，稳就业、振兴经济，不同于以往的传统基建，数字基建是当前最有活力的经济领域。

而数字基础设施又是数字经济发展的基石与保障，是经济高质量发展的新动能。所以在可预见的未来全世界将迎来一次大力投资数字基建的潮流。

二、通信与计算：

数字基建的应用围绕着通信与算力展开，翻译过来就是我们所熟知的5G与芯片，5G通信用来链接汇总收集到的数据，算力便是处理汇总起来的信息。

传统经济中，生产线、机器、各种载具等作为生产工具，而土地、劳动力、化石燃料成为核心生产要素；对应如今数字新基建，AI、5G、物联网、云计算便成为了新型生产工具，而算力与数据则成为上述工具的核心生产要素，算力与数据已然成为当前世界竞争的制高点。

1、通信：

通信领域我国十分重视，目前华为的5G专利数量世界第一，综合技术可以说已经处于世界一流水平，但芯片尤其是高端芯片领域却不容乐观，虽然我们有一大批半导体芯片企业如中芯国际、中微电子等，不过他们也不是在所有领域都专精，芯片产业需要全产业链的协同发展缺一不可，尤其是在一些关键技术上。

2、计算：

在如今的物联网时代获取信息变得极为方便，甚至在可预见的未来当信息足够丰富，算力足够强大，国家的一些决策都能交给计算机，我们要做的仅仅是制定运算规则也就是算法。多行业信息收集后协同计算能产生新的需求、产能与市场，带动全球经济发展。届时各国间的博弈很大可能会变成两个超级计算机间谁能获取更多数据，加持科学的算法最终通过更强的算力脱颖而出，做出正确的抉择。

国际数据公司IDC预测到2023年，数字经济产值将占中国GDP的67％，强大自主的算力将成为我国经济发展的基石，而核心要素算力的投入与研发将成为我国的百年大计， 占领了这两个领域的国家毋容置疑将获得未来几十年举足轻重的实力，甚至决定将来的世界秩序。

芯片的发展历史

半导体是导电性介于导体与绝缘体之间的一种物质（下面会详细说到）。直到20世纪30年代材料提纯技术改进后才被广泛认可。半导体主要由：集成电路、光电器件、分立器件、传感器组成。因为其中的集成电路占器件比例80％以上，一般将半导体也称为集成电路。而集成电路又分为：微处理器、存储器、逻辑单元、模拟器件。所以我们也将其成为芯片。

芯片的发展历史

intel是PC领域芯片巨头，其发展史基本代表了芯片的发展史，让我们来看看其发展历程：

1、1971年，intel第一款商用处理器4004问世，集成2250个晶体管，每秒运算6万次，它的出现是革命性的，带来了随之而来的计算机与互联网革命，进而改变整个世界。

2、1978年，intel著名的8086处理器问世，并于1981年应用于IBM电脑，一举成名。随后还有80286等后续型号。

3、1985年，intel研制出第一款32位处理器80386，依靠与IBM PC的兼容与合作确立了兼容机市场的领头地位，同年进入中国市场。随之而来的还有改进型号80486、586等等，小生记得小时候用的第一台win95处理器的电脑便是80486系列的芯片。

4、1993年，intel推出奔腾处理器（pentium），此时晶体管数量达到320万个，浮点运算能力大大增强，进而图像、声音、影视等功能得到充分实现。随后的十年时间里更新型号层出不穷，intel已然变成高端芯片的代名词。

5、2001年，intel第一款64位处理器Itanium诞生，主要用于高端企业级别的计算环境也就是服务器，超越同行成为服务器芯片的老大。

6、2006年，我们熟知的酷睿core双核处理器问世，也就是我们所说的i3、i5、i7系列。当然core i7的首发是在2008年，是第一款四核处理器。core系列经久不衰，直到今天我们的个人电脑基本都用的core系列（其他的属于AMD公司或intel在core上的变种）。

7、2014年，intel推出至强（xeon）E7系列处理器，多达15个处理器核心成为intel核心数最多的处理器，xeon主要应用于服务器领域，能应用于英特网处理工程、图像与多媒体等需要快速传送的大量数据应用。

8、2017年，intel收购Mobileye后，开始向“算法+芯片”的整合AI方向发展，在智能AI的大背景下，英伟达与intel都在运用深度学习神经网络等技术制造AI芯片抢占新的市场。

纵观近30年来集成电路的发展历史，晶体管数量每1.5年增加一倍，随着单位面积晶体管数量的增加，芯片外形尺寸缩小，单体成本与开关功率明显下降，同时所有的性能指标都增强了，也就是芯片每24个月晶体管数量与性能翻一番，严格遵守摩尔定律，可以说芯片进步的历史就是集成电路的发展史。

芯片的运行原理

可以说如今IT行业的硬件都是建立在半导体工业之上，而半导体又是由一个个晶体管（包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管等，有时特指双极型器件）组成。下面让我们从半导体与晶体管说起（其它的原理差不多）。

1、半导体：

要说芯片，我们就不得不提及半导体。其实半导体的发现也是由量子力学所发展起来的，让我们从物理原子层面说起。我们都知道除了H、He以外的其他元素都是以外层8电子为稳定状态，化学知识也告诉我们使两种元素得以连接的静电力（化学键）有离子键与共价键（金属键与共价键类似）。

离子键一般存在于金属与非金属间，如Na原子失去一个电子变为Na+粒子，Cl原子得到一个电子变为Cl-粒子，两原子成为异性电荷通过电磁力吸引在一起成为Nacl也就是氯化钠食盐；共价键一般使得非金属元素得以结合，不同原子之间可以用核外电子共同形成电子对使最外层形成8电子稳定态，例如氮气。

这时候我们观察到元素周期表中有一类C族元素最外层只有4个电子，即不易失去也不容易得到电子，这就是半导体的概念，不过在该族元素中随着电子层数的增加也会变得越来越容易失去电子（Si之后的元素Ge、Sn、Pb等），实验中发现硅Si由于其合适的电子层数以及最外层电子数成为我们眼中最好的半导体材料。这也是世界高科技行业云集的“硅谷”的由来，“硅谷”也是最早研究和生产以硅为基础的半导体芯片的地方，因此得名。

2、晶体管与集成电路：

二极管是晶体管的其中一种，是由半导体材料（硅、硒、锗等）制造的一种能单向导电的电子元器件。即在二极管的阳极与阴极施加正向电压时导通，施加反向电压时截止，相当于一个开关的接通与断开。而这时候便有了最基础的信号区分，例如我们将电流导通记为1，断开记为0。这便是我们熟知的电脑语言0、1。如今的C语言、C++、JS、H5等变成语言也是将该类01语言翻译为我们能看懂并方便编辑的形式。

在二极管诞生后我们便能设计逻辑原件，学过自动控制原理课程的大家都知道有与或非的门电路（例如与门是两者都同时实现才能得到1的输出）。各类门电路通过并联串联的形式集合起来，看似简单的逻辑门电路在上亿数量的排列组合聚集在一起后便能实现非常复杂的计算（这其中门电路的排列组合设计也即是芯片工艺的设计也是决定芯片性能的核心要素，需要长时间技术的积累）而芯片便是该类运算电路的集合，即集成电路IC。

制作芯片的工艺流程

芯片的制作流程比较复杂，不过大体上都分为三个步骤： 设计、生产与封装测试。

一、设计：前端设计、前仿真、后端设计、验证、后仿真、signoff检查、然后将设计数据交付给代工厂。

关于设计我们要知道一个原理，芯片设计为实现某一功能必然依托于某一设计架构来实现，目前主流的芯片架构有X86（intel与AMD专属，称霸PC市场）、ARM（移动便捷设备）、RISC-V（后起之秀，智能穿戴设备中应用广泛）、MIPS（主要应用于网关、机顶盒），由于ARM架构拥有低功耗、低成本的特点尤其受到手机等移动设备的青睐（ARM与X86架构为市场份额最大的两大架构）。

以上所说芯片设计，架构仅仅是前提条件。而对于芯片整个设计流程来说都需要用到EDA软件。EDA软件简单地说可以理解为我们常用的CAD软件，由于一个芯片电路十分复杂细小，包含几十上百亿个元器件，一个元器件或电路的错误放置都可能导致整个芯片无法运行。而EDA软件能自动化设计该流程保证芯片的运行，芯片设计方只需决定某几个关键位置的设计便好。

二、生产制造：氧化—薄膜沉积—光刻—刻蚀—离子注入—清洗。

我们首先从二氧化硅也就是沙子中高温萃取出纯度很高的单质硅，该单质硅为晶体结构，原子整齐排列以共价键组合成巨大分子。工作人员将硅切成圆薄片用以生产芯片。

在硅片上均匀涂抹感光材料，控制光线（光刻机）照射特定部位感光材料使其性质发生变化（溶于水），再用水冲洗便得到硅单质的凹槽。

再对特定区域掺入感光多晶硅层等杂质，如二极管中的磞与磷，逻辑电路便在该凹槽中不断形成，俗称的粒子注入。

其余地方也能通过感光遮盖的方式用腐蚀液将硅腐蚀掉，便形成了一个个晶体管。

当然你也可以掺入金属材料形成导线、电容或电阻等。

该工序重复多次（一般不少于20）叠层便能得到我们想得到的集成电路，一大块包含很多块芯片的晶圆盘。

三、封装测试：

如上所说，芯片生产后并非成品而是一大块晶圆，还需经过芯片测试机的测试、切割并封装。

未封装的晶圆

良好的测试能使次品到达用户手中之前被淘汰掉，对提高产品质量、建立生产销售的良性循环是至关重要的。而测试机正是通过验证芯片是否符合设计目标、研究环境变化对其造成的影响以及寿命长短等参数实现有效的测试。

我国半导体现状

截止2019年，我国花费3000多亿美元进口芯片（买石油也只花了2000多亿），总共购买了全世界三分之一的芯片，其中90％以上都依赖进口。可见我们对芯片的依赖还是相当大的。要研究我国半导体芯片现状我们先得看看芯片产业整个流程在世界上的分工。

世界芯片产业链：

我国的华为海思、国外的苹果、AMD、高通等著名大厂往往只做设计，该类公司我们将其称为Fabless芯片设计方；设计好后将图纸交给台积电或三星这样的第三方芯片制造代工厂；生产后还不是成品而是一大块圆形硅晶体，还要交给日月光、安靠这类的公司运用EDA软件测试、切割并封装，最终形成我们平常看到的芯片。

大部分的芯片生产流程如上，不过也有极少例外，如intel、三星这样的超大型公司全流程自己搞定，即设计、生产、测试封装全都自己做。我们一般称该模式为IDM模式，其实最初生产芯片大家都是IDM模式，只是后来啊大家考虑到成本与效率，毕竟自己建立生产线只做自己的太过浪费，更新换代迅速，设备闲置后就放在那儿折旧了。

台积电

而后需求便使台积电这样的公司应运而生，在成本有效控制的前提下产能大幅提升。不过这也带来另一个改变即芯片行业门槛的整体降低，以前没有个几千亿都摸不到芯片行业的门槛，如今仅需投入十几到几十亿的芯片设计研发就能找人做芯片了。

我国芯片设计、生产与测试封装与世界水平对比：

说完世界芯片产业链再让我们回到芯片本身的工艺流程上，即设计、生产与封装测试，让我们从这三个维度进行分析。

一、芯片设计：

芯片设计大体分为：前端设计、前仿真、后端设计、验证、后仿真、signoff检查、然后将设计数据交付给代工厂。

以上我们说到包括华为海思在内的很多大型企业都只做芯片设计，所以海思究其根本是一家芯片设计公司。

①ARM架构：

以上说到目前主流的芯片架构有X86（intel与AMD专属，称霸PC市场）、ARM（移动便捷设备）、RISC-V（后起之秀，智能穿戴设备中应用广泛）、MIPS（主要应用于网关、机顶盒），由于ARM架构拥有低功耗、低成本的特点尤其受到手机等移动设备的青睐（ARM与X86架构为市场份额最大的两大架构）。

而我们的华为海思正是通过在ARM公司的公版架构之上二次开发而来，虽然ARM是一家英国公司号称不受A国商务部的影响，不过今年以来ARM态度摇摆不定，目前更是传出要被英伟达收购的消息，这条道路也显得十分不可靠。如若不让使用华为将全新自主设计下一代指令集的芯片，难度是非常高的。

②EDA设计：

芯片架构是设计的前提，当你选好了一个建筑的用途与建筑材料后，你还需要设计具体的建造方案，也就是芯片设计。而这一过程我们有说到过需要EDA软件（类似于建筑行业的CAD软件）的全程参与。以上我们说到EDA软件能自动化设计整个流程的芯片保证其能成功运行，设计师们只需改动关键几个位置便好，大大降低了不可控风险。

我们的华为海思主要用到明导国际、新思科技与楷登电子三家公司的软件，恰好这三家便是世界上最大EDA软件公司并且全都是美国公司。

精明的EDA软件商同时给台积电这样的代工厂提供免费EDA软件，要求代工厂给EDA软件提供诸如晶体管、MOS管、电阻、电容等元器件与逻辑单元的基本信息的数据包，该数据包不断优化更新频繁（有时一个月）并且与软件形成校验与绑定，所以基本只支持当前最新版本。不像盗版软件，禁令后不给更新我们还能用老版本，如果不用最新版本的软件对芯片进行校验很可能导致所设计芯片不能运行导致流片失败，而一片流片失败便意味着几亿资金打了水漂，成本风险巨大。

华大九天算是国内EDA软件的龙头企业，经过多年发展已经能在某些领域独当一面，不过正如以上所说，半导体芯片同样需要全流程的共同协作覆盖整个高端芯片的设计流程，我们只能达到某些点的覆盖。

二、芯片制造：

芯片制造的流程大体可以分为：氧化—薄膜沉积—光刻—刻蚀—离子注入—清洗；

就芯片制造领域台积电无疑是世上最强企业，强大的技术与产能的领先保证了其领头地位。不过这一切都建立在运用了大量美国半导体设备之上，可以说没有美国技术的支持便没有台积电的今天，所以如若A国一纸禁令下来，台积电在掂量了订单与其立身之本技术之后很可能选择不给我们加工芯片。

你可能会说我们不是还有中芯国际么？04年上市的中芯国际经多年努力终于在19年攻克了14nm制程的节点算是一重大突破。不过首先我们得意识到台积电在18年已经给苹果提供7nm制程的芯片，就制程技术来说落后起码两代。其次就算我们能接受体积、性能与续航不那么优异的产品，中芯国际也不一定能给我们做。以上提到的芯片制造流程中在刻蚀环节我们的中微电子已经能将较为先进的技术应用于7nm与5nm的产线，不过除此之外统统落后于世界平均水平。在生产环节还有大量技术来源于美国。例如薄膜沉积设备中芯国际便应用了美国应用材料公司的方案，所以如果A国真的一纸禁令，中芯国际也不能为华为制造芯片。

光刻：

其次在芯片制造中不得不提到一项关键技术—光刻。光刻机是把电路图投影到覆盖有光刻胶的硅片上面；而刻蚀机再把刚才画了电路图的硅片上的多余电路图腐蚀掉，两样设备是相辅相成的，缺一不可。

EUV光刻技术难度相当高（DUV的改良版，通过打击液态金属锡实现进一步缩小波长，在此不做详述），研发始于20多年前有近40个国家加入，欧美发达国家均在内，不过只有美国坚持到了最后，技术难度比制造原子弹还大很多。在如今的芯片中我们起码要进行20次以上的光刻蚀（每一次进行一层刻蚀），而我们将单独一层刻蚀层图纸放大许多倍来看，都比整个纽约市加郊区的地形图复杂。想象一下将整个纽约以及郊区地形图刻录在一面积只有100平方毫米的芯片上（一个晶体管尺寸已经不到一根头发直径的万分之一），该结构有多么复杂可以想象。

所以光刻蚀是其中非常复杂也是最为关键的技术，其精度与灵敏度直接决定了芯片的计算能力与质量。只有更加精确的刻蚀才能将电路设计师的想法在微观尺度更完美的实现。光刻技术无疑是芯片时代各国竞争的前沿阵地。

而光刻技术尖端领域由荷兰公司ASML（阿斯麦）垄断，其5nm光刻机已交付使用，今年台积电的A14处理器、高通骁龙875系列、麒麟9000处理器都是由该设备生产。我国光刻机最高水平目前是中微电子的28nm制程，研发能力差距一个年代，量产能力差两个年代。至于其他的很多环节甚至才刚刚起步。

三、封装测试：了解芯片的朋友可能认为我国在封装测试环节处于国际第一梯队，不过事实上光测试机一项就被日美企业所垄断，其中来自美国的泰瑞达与科休半导体便占据国内封测设备的大半江山，半导体测试设备的国产化率不足10％。

说完我国半导体芯片在设计、生产以及封装测试方面与世界水平的差距后，我们也不要过于悲观，其实在EDA、生产制造、光刻机、代工能力等方面我们也并非一无是处，华大九天、中微电子、海思等企业在各领域打下了不少基础，在某些点与领域甚至能与一线比肩，现在我们要做的便是让越来越多的点冒出来，最终由点及面协同发展形成成熟完整的半导体产业链，不再受制于人。

我国芯片如何发展

了解了我国半导体芯片技术现状与差距后，不得不思考的一个问题便是我们该怎样实现追赶并超越。

一、我国半导体芯片情况

在一个基础物理停滞（下文会说到）的行业中，虽然intel目前仍有很大优势（EDA设计、工艺等）但后起之秀与之的差距也会逐渐减少。我国在历史上错过了发展半导体行业的窗口期，加上一定的决策失误，导致了如今半导体芯片产业被动的局面。不过近年来我国光伏产业的迅速发展也突破了一部分半导体所需的高晶硅材料。

但面临的问题还很艰巨，设计芯片的EDA工程软件等还都基本被美国欧洲垄断；芯片加工设备光刻机还是被荷兰阿斯麦尔公司所独家垄断，以及其一系列高科技配套设备PVD、CVD、刻蚀机等等都被美国应用材料公司（AMAT）与科林研发公司（LAM）所垄断；此外芯片的制造还需要氢氟酸、光刻胶等化工原料，而该类高精度化工原料都为日本企业所供应（韩国曾被日本断供，差点导致芯片停产）。就算硬件条件都具备满足制造工艺了，intel芯片这么多年积累的工业设计经验（门电路排列组合以及功能实现方式）也不是一朝一夕能追上的，需要我们研究十几乃至二十年。

二、我国半导体产业链面临的问题：

技术的发展永远与资本市场密不可分，让我们上升一个层面从资本的角度出发分析芯片市场与其背后资本的推动。

首先芯片行业有一个显著特点是它的更新换代速度相当快，不像其他行业在低端廉价市场也有巨量需求通过价格优势可以从低端做起，逐渐扩大市场积累人才走向高端。对于芯片来说市场永远只需要最高性能的高端芯片，几乎没有低端市场。

其次对于芯片技术发达引领的企业，虽然芯片的研发设计与生产线的建立需要巨大的投入，但是新的芯片市场同样巨大，同时高精度光刻蚀机等成熟配套技术也能保证规模化生产。研发投入很快会被巨大的交易量所稀释。

再说我国芯片研发，我国不缺资本（拿出几百亿搞研发）与基础研发科技人员（不过缺芯片经验积累）。但资本的投资讲究投入产出比，资本集团担心的是几百亿的投入进去而出来的产品甚至追不上主流半导体工艺（终端芯片），只能开发出过时的产品，这样高额的研发成本没有市场需求的稀释，中低端芯片的价格反倒更贵。投资也如无底洞般，所以企业也一直没有动力进行大规模的投资研发，这才是芯片行业难以发展的实质。

简单来说由于先发优势，cpu生态圈已然形成。桌面级的X86，嵌入式的ARM，软硬件生态圈已成熟稳定，沿着外国道路走专利壁垒会被卡，自己另建生态圈则如以上所说只能指望国家买单，市场不需要低端芯片，想在市场生存太难。

三、如何发展半导体芯片产业？

不得不承认，分析清以上造成我国芯片迟迟不能发展的原因后，那怎样才能改变呢？

①摩尔定律逐渐失效

以上提到随着工艺制程的密集化，如今已在研发3nm制程芯片并准备投入量产，不过性能的提升明显与密度速度的提升不成正比，显现出摩尔定律已逐渐开始失效。在基础物理没有取得突破的前提下全球半导体芯片的密集化提升将陷入停滞，只能不断优化设计更好的工艺。而这恰好也给了我国千载难逢的机遇，逆水行舟不进则退，不过我们还是得承认其几十年积累的芯片设计经验，在一些细节上精妙设计所实现的功能都能让我们捉摸数十乃至二十年。

②芯片龙头企业撤出中国市场

以上提到，具有先发优势的半导体企业巨头会凭借其强大的科研能力保持更新换代的速度，而市场只需要最新最强的芯片，相当于垄断了整个芯片市场，陷入没有市场利润资本也没有动力投入研发的恶性循环，所以半导体行业的追赶相较于其他行业会困难很多。

不过如今某国的芯片禁运政策主动撤出了中国市场，虽然这对我国高科技企业来说是一个不小的噩耗，且人们在一段时间内使用国产芯片电子设备会感受到性能的下降，但这却给了中国本土芯片产业千载难逢的发展机遇。对于我们来说可能需要暂时的容忍自产芯片性能上的不足，不过从长远来看这却是实现繁荣发展必不可少的一步。而相信在此非常客观的市场环境压力下，我国的芯片技术水平将实现快速追赶。

而鉴于国际与贸易形势的风云变化，为摆脱半导体产业对国外的依赖，我国也出台了一系列政策。今年8月4日国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》表示线宽小于28nm经营期在15年以上的集成电路企业，十年内免征企业所得税。

当代芯片面临的瓶颈

就在今年全球最大芯片制造公司intel也准备将旗下芯片业务外包代工给台积电。除了业务上的考虑，就技术本身也有摩尔定律即将失效的因素，在该定律下芯片生产技术进步的速度将会放慢甚至停滞。所以intel并不急于追赶当下最新7nm，5nm的芯片制程。

一、摩尔定律：

该定律由intel创始人之一的戈登。摩尔提出，其核心内容大意为：单位面积的集成电路上可容纳的晶体管数量大约每24个月增加一倍，也就是处理器性能每隔两年翻一番（该定律仅为行业内经验之谈，并非自然物理规律）。该定律同样适用于磁盘驱动器存储容量的发展，已然成为众多工业企业对于性能预测的基础。

二、摩尔定律的逐渐失效：

然而就最新研究表明第一代3nm工艺芯片与5nm芯片相比其密度提升了70％，速度提升了10％~15％，不过最终反映到芯片的性能只提升了25％~30％。性能提升程度明显与其密度与速度的进步不成正比。所以当代最新3nm制程的芯片很可能已经遇到了物理摩尔定律的限制。

1、势垒贯穿

失效的原因与基础物理量子力学有关。经典力学认为物体（例如电子）越过势垒需超过一阀值能量才能越过。而量子力学则认即使粒子能量小于阀值能量，一部分被反弹，仍有一部分能越过势垒。

2、势垒贯穿几率

我们都知道量子力学是研究微观尺度的粒子，半导体中微小的集成电路正好适用于该规律。让我们用T来表明电子贯穿势垒的概率系数，a代表势垒宽度。

由以上可知电子贯穿势垒几率随势垒宽度a的增加迅速减小，结论便是势垒很宽、能量差很大或粒子质量大时，贯穿系数T≈0。反过来说粒子能量一定势垒越窄越容易穿越势垒发生量子隧穿效应。

看看如今高度集成化的芯片，晶体管电路间隙越来越窄也就是势垒越来越窄，当小到一定距离后量子隧穿的几率将大大增加，这样芯片的正常逻辑运算将变得混乱不堪，性能的提升更是无从谈起。

三、摩尔定律终结会给我们带来什么？

回顾过去20多年，电脑或智能手机平均两年性能便翻一倍且推陈出新非常迅速，随着应用软件的迭代升级我们也将其作为快消品一般频繁更换着。而这些都是由IC与芯片工艺更小、更精密、更快所决定的。如果半导体基础技术进步停滞，我们现在的电子产品都会变为耐用消费品，芯片将会着重在稳定性与成本之间取得平衡，最终会变为如冰箱、空调、电视之类的耐用消费品，进而厂商的利润率也会降低。

综上所述如果在3nm以后各大厂家再也开发不出更精密（性能提升）且成本适宜的芯片，未来芯片工艺很可能陷入停滞。不过话分两头说，所谓逆水行舟不进则退，整个半导体行业的停滞也很可能给我国半导体产业的发展带来一定机会。不过我们得意识到技术的积累不是一蹴而就的，虽然基础物理遇到了瓶颈，但inter几十年来的芯片设计经验可不是能随随便便超越的，其中的巧妙细节设计与优化值得我们琢磨很多年。

四、超级计算机

在这里提一下超级计算机，下面简称超算。其性能不断增长符合摩尔定律似乎没受任何影响，我们的超算神威太湖之光在理想情况下的浮点运算（跑分）甚至在世界上傲视群雄，然而事实真是如此么？

首先我们要明确一个概念，超级计算机强调的是把众多处理器协同起来工作即集合性能，并不特别强调单个处理器的能力，当然从功耗比的角度出发单个处理器的性能也十分重要。我们的神威太湖之光正是在单个芯片工艺落后intel两代的基础上堆叠更多的芯片依靠优秀的链接架构设计实现某一方面的计算能力超越。

通俗一点来说就像你玩游戏加多张独立显卡一样，你有钱便能一直加RTX3090，你只需要想办法设计出使众多显卡并行运算使其发挥出更多算力的架构便好，有钱便能一直加下去（另一种形式的钞能力，不过可惜的是也不能无限制的加下去）。

①什么才是超算的核心指标？

我们都知道超算追求的是集合性能，不过你加1000个芯片实际计算峰值只有100个芯片的性能那未免也太浪费了。所以国际上通常认为超算最有意义的指标是效率。即计算峰值占理论峰值的百分比，也就是实际上能发挥的性能。

（备注：计算峰值为Linpack程序计算获得，是国际通行标准。是一个超大规模线性方程式的开源并行程序）

这里插一句因为我国超算一般采用GPU与CPU间PCI-E总线链接的异构模式，算法复杂需要优化，软件开发成本高，应用的普适性低，进而效率普遍不高。

②超算效率

这里的效率指的是并行程序效率。说效率之前让我们先了解一个概念，并行程序的特点是将一个大问题分割成若干小问题交由多处理器计算，分割的同时也决定了其需要在多个处理器之间交换数据即通信，一般来说串行程序因为主要是在内存中通信时长可忽略（大型数据库等性能要求苛刻的环境中才需优化），对于并行程序的超算由于其本质上是多个独立计算机通过网络连接到一起，是一种跨节点通信，网络的性能直接决定通信时长影响最终效率。一般超算都会采用专用网络，至少是万兆级别的带宽。

了解以上概念后，让我们来看下面的公式：

并行程序运行时间 = 处理器运行时间 + 通信时间

并行程序效率 = 串行程序运行时间 / 并行程序运行时间 * 处理器数量X100％

由以上公式可知我们采用并行化（包含异构）来达到减少程序运行时间的同时极大可能也会增加通信时间，在单个处理性能恒定的情况下如何优化网络缩短便显得重要，效率指标直接衡量了这样做是否值得，毕竟你用100匹马拉赢了一辆坦克也不是什么值得骄傲的事。

未来的计算芯片

一个不得不承认的事实便是自二战以来，基础物理科学并未有突破性的创新，纵观能源、材料、等领域的产业与二战后的五六十年代相比也没多大进步，更多的是对量子力学等基本理论在应用科学方面的发扬光大。半导体也是正是在对量子力学中能带理论的研究中应运而生的，其应用造就了今天增长迅猛的IT行业。

IT行业：

如今还能高速发展的产业IT行业就是以芯片运算能力为基础的产业。我们不禁会问随着晶体管所承载的运算能力接近物理极限，摩尔定律逐渐消失，IT行业的发展是否也会遇到瓶颈？这就带给我们一个问题，经济发展的动力消失后生产力的增长也会停滞。当人口与欲望增加到一定程度后如若经济不再增长便会形成巨大的社会矛盾。只有科技的突破与发展，例如三次工业革命才能提高生产力带领人类走出马尔萨斯陷阱。

在当前7nm商用化，5nm、3nm制程的芯片已经接近极限，摩尔定律即将失效的情况下未来的半导体乃至IT行业出路在何方呢？也许还是对量子力学的另一方面应用，涉及到量子纠缠等其他理论，也就是量子通信与量子计算机。

量子计算：

量子计算无疑是计算领域的又一次革命，我们表示一个信息的最小单位即比特（bite）传统计算机是用晶体管实现电路是否导通表现出0或1，而量子计算机是用一个质子的自旋转方向来表示，同时由于量子的叠加态一个质子可以同时存在多种状态，也就是储存多种变量，进而实现了多目标的并行（同时）运算，计算能力自然也呈指数型增强，计算效率成百上千倍的提高。

不过量子计算也还有很多亟待解决的问题，例如量子相干实体所组成的系统和其周围环境的相互作用，会导致量子性质快速消失，这个过程称为“退相干（decoherence）”，现在只能延长到零点几秒，而随着量子比特数量增加与周围环境接触可能性也增加，如何延长退相关时间便成为关键；此外量子计算中还会遇到热量与随机波动的影响俗称噪声导致计算结果的错误等等问题；其运行环境也极为苛刻需要在绝对零度附近。

展望：

半导体芯片制造是一个注重基础科学与技术积累的行业，需要多领域全产业链的配合。芯片发展没有捷径可走，需要我们一步一个脚印的走出来。在如今贸易战的大环境下我们已经认识到关键技术受制于人的严重性，相信我们会重视加大投入最终发展好半导体领域。

更进一步脱离国家层面的竞争，我们更应该意识到半导体芯片领域涉及到的科学技术突破不仅是给某一国家带来好处，而是会给整个人类的发展与进步带来福音，一旦实现技术突破什么马尔萨斯陷阱都不在话下，我们能做的便是营造一个好的研究探索环境，尊重、培养、重用人才突破基础科学，最终实现人类社会的进步。
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