​量子芯片来了,光刻机跌落神坛?

无线深海 2021-03-14


英特尔创始人之一戈登·科曼(GordonKemen)在1965年发现的一个发展趋势,即单个处理芯片上可以容纳的晶体管数量每18-24个月就会翻倍,CPU的特性也会翻倍。

本来呢,大家也可以不当真,听他吹牛逼就完事儿了。但是好死不死,大家都当真了。


 1

工业皇冠上的明珠——ASML光刻机


在消费者和下游生产商对于更强大计算机性能的需求驱使下,芯片行业的人真的是按照摩尔定律18到24个月性能要翻倍在要求自己,你跟不上就会被淘汰。


ASML光刻机

于是在芯片生产的核心环节出现了像ASML光刻机这样集成人类目前为止最高科技的怪物。

翻开ASML的供应链列表,我们会发现它的所有供应商都是业内最顶尖的。

ASML的供应链列表:

光刻机的工艺精度很大程度上取决于其光源的波长,ASML用的13.5nm波长极紫外EUV光源,来自于美国的Cymer公司。

它的实现原理是用13.5nm波长的深紫外光精准打击直径20微米的液态金属锡,而且要在它掉落过程中连续击打两次,第一次把锡液滴打平,第二次才能激发出足够强度的13.5nm波长极紫外光。

通过光源绘制电路的曝光制程

ASML的镜片供应商是德国的老牌镜片供应商卡尔蔡司,他们提供一种极其极其光滑的,只反射13.5nm波长光的反光镜。

有多光滑呢?如果把直径30cm的镜片放大到地球那么大,最多只有一个头发丝这样高度的凸起。这应该是人类制造的最光滑的物体。

ASML的磁悬浮双工件台系统是自研的,可以做到两个工作台同步运动,误差不超过2nm。

可以看出ASML光刻机是人类内卷极致的产物,是真正工业皇冠上的明珠。


 2

新型光量子芯片问世,光刻机不必再需?


新华社2月28日消息,由中国科研人员主导的国际团队在美国《科学进展》期刊上发表了一篇论文,论文中提到团队已经研发出了一种新型可编程光量子芯片,可实现多种图论问题的量子算法求解,有望应用在数据搜索、模式识别等领域。

这种新型可编程的光量子芯片,被外界看做是绕开光刻机的办法之一。
据悉,光量子芯片的主导团队是国防科技大学计算机学院QUANTA团队联合军事科学院、中山大学等国内外单位。该芯片采用硅基集成光学技术,通过微纳加工工艺在单个芯片上集成大量光量子器件,对实现量子信息的编码和量子算法的映射,具有高集成度、高稳定性、高精确度等优势。

这种新型光量子芯片虽然也是采用微纳加工工艺,但主要是在单个芯片上集成大量光量子器件,由于生产原理上的不同,所以可以绕开光刻机的限制。

一旦量子芯片成功商用,诸如7nm、5nm等制程工艺的研究将失去原有的意义,芯片制造领域也将迈进一个新的里程,而过去让无数芯片制造企业趋之若鹜的高端光刻机也将跌落神坛,我们在芯片制造上也将告别过去被卡脖子的境况。


 3

集成电路芯片,已经达到极限


我们知道,现在的芯片的精度就是最小的晶体管的直径,采用了半导体技术和光刻机之后,我们可以把一个晶体管的径长降低到5纳米之内,从而大大增加集成度,达成了更丰富的功能。

可是理论上来说,采用激光刻录的芯片,最小的径长取决于原子的直径,就是采用一个原子来做晶体管的时候,它的径长,决定了芯片的极限精度。

这个精度是多少

台积电公布大约是0.1nm!氢原子大小的极限芯片,就是光刻机的物理极限

先不说光刻机的波长问题,学过器件的人就知道,稳定、性能可控的界面态需要十个~数十个原子排排坐,从这个角度来说,传统的硅平面器件已经到顶了

随着摩尔定律的逐步失效,单个处理芯片上晶体管数量的增加已经接近物理的极限,大数据时代对计算系统功耗和速度要求的却不断提高。

戈登分子发现的“规律性”可能无法持续,除非有技术创新。


 4

光量子芯片可能使“摩尔定律”得以持续


“技术创新”可能的方向之一是用光量子代替传统集成电路芯片中的电子器件来传输数据信号和进行计算。也就是说,“光代替电”,“光量子处理芯片”用来代替传统的集成电路芯片处理芯片。

不同于集成电路芯片处理芯片,许多微电子电子器件(晶体管、电阻、电容等)必须放在塑料底座上才能生产集成电路芯片。硅光量子处理芯片由硅制成。利用硅强大的光路由器工作能力,根据释放的工作电压创建连续的激光驱动硅光量子组件,完成光信息含量的传输和计算。“以光代电”有三个明显的优势。

第一,光的网络带宽远大于电子设备;

第二,与电相比,光不易受影响;

第三,光本身可以做一些计算。


这样,光量子处理芯片就有可能大大提高处理芯片的特性,使摩尔定律得以持续。


 5
十年磨一剑,要“商用”仍需努力


纵观世界上硅光量子的发展趋势,英国是硅光量子最开始流行的国家,也是现阶段发展趋势最先进的国家。早在20年前,就利用CMOS生产技术开启了对硅光量子的探索和深入分析。
现阶段,英国硅量子刚刚在Facebook、Google等企业开始量产,加工芯片发光级已经完成演示级,将很快进入量产。

谷歌的72 位量子比特的量子处理器 Bristlecone

而在中国,硅光量子的大规模科研是在2010年左右开始的。过去以学术研究为主的科研比较普遍,导致中国在硅光量子的实际过程中不如英国。而中国在硅光量子技术研发上的大规模人才和资产投入,却推动了发展趋势不晚于英国十年。

中国在硅量子产业的积累就像十年磨一剑。据专家预测,在2022年至2025年大规模生产的情况下,凭借优秀的人才、加工芯片的驱动力、加工技术、资产和销售市场,中国的硅量子技术应该有很好的机会跟上英国。


但是,说句实在话,就我国目前的缺芯现状,光量子芯片对于我们来讲是比火星还远的存在,是“远水解不了近渴”。等光量子芯片解决一个又一个技术难题,然后再量产商用时,也不知道会等到哪个猴年马月。

所以,听到我国这方面的科研成果,心里有个数就行了。虽然还没有实际地走入寻常百姓家,惠及每家每户,但是我国近年来一直瞄准世界科技前沿,将其作为重要强国战略之一,未雨绸缪,正是为了未来进入新时代的时候,不再走在别人后面,像今天一样处处受人掣肘


 6

结  语


中国芯壮大要经历的种种磨炼,可能还要再以十年为单位来计算,背后消耗的财力、人力、时间,可能会是一个又一个新时代的“范弗利特弹药”。但每一个中华儿女都有决心,也有定力,在这场持久战中,把我们的行业“短板”扎扎实实补齐,一步一个脚印地做下去。

罗马不是一天建成的,中国“芯”之路,没有捷径可走。

— END —

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评论
星海扬帆 2021-04-24 17:38
弯道超车的心思深入骨髓了。光刻机做不出来的问题是工业基础的问题,量子计算机的产业化还是会需要工业基础,基础不行,啥都做不出来,连示波器都做不出来。
thomashung_7798 2021-03-17 11:28
希望能有更深入光量子的報導
Tyron 2021-03-17 10:25
虽然没有看明白,但好像是很厉害的样子
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