当芯片的工艺制程突破物理极限之后，人类该怎样寻求新的芯片制造技术？
我是老郭，物理爱好者，物理系毕业。
虽然不是科研工作者，但立志为科普贡献一份力量。
没有从事过相关的工作，但是大学时对芯片的加工技术非常感兴趣，所以阅读过大量的芯片设计和制造相关的论文。由于我是学物理的，所以脑洞可能是跟学芯片设计的小伙伴们不一样，以下是我关于这个问题的几点思考，仅供大家参考。
想说的内容有点多，所以先扔出我的答案吧：量子计算是取代数字计算的大杀器。
第一、什么是物理极限
我们经常听人说，某某东西已经达到了物理极限，就不能再改进了，其实，这样的说法并不严谨。物理作为一门科学，它所做的工作其实就是通过对客观事实的观察和测量，利用数学工具对物质的运动规律进行定量描述，是人类对于物质世界的一种认识手段。客观测量和实验验证是检验一个理论是否正确的唯一方法。所谓的物理极限，其实是对客观规律的一种描述，那是一个事实。如果理论预言的结果与事实不符合，就需要去修正理论。所以我们说，客观事实存在极限，而不是理论设定了极限。
第二、技术和理论之间的关系
我不知道我是不是最重视技术的人，但我一定是这些人之一。社会上，甚至是很多科研工作者都有一个错误的观念，那就是，技术是理论的应用。其实完全不是这样，在老郭看来，技术和科学二者应该并驾齐驱，相互促进，相互制约。技术决定了理论最终的表达方式，而理论决定了技术的最大能力范围。打个比方，有了麦克斯韦方程组不等于就有了收音机和手机。收音机和手机都需要人类的技术能力去创造。有了广义相对论，我们到现在也没有做出来反重力装置。这就是技术水平没有跟上理论的发展水平。
第三、芯片技术的物理极限一：光的波长限制
我们很多人都以为现在的芯片技术已经达到甚至是接近理论极限了。其实并没有，让我们一起来回顾一下芯片工艺的发展历程，看看技术是如何突破“物理极限”的。
现在的集成电路制造技术其核心就是光刻技术，这种方法跟照相类似，就是将掩模版上的图形转移到涂有光致抗蚀剂（或称光刻胶）的硅片上。在实际工艺中，一个芯片的产生要经历几十次光刻才能完成，有些结构层甚至需要多次光刻才能形成。在这个发展阶段，所谓的物理极限其实就是光的波长限制，所以科学家们所做的工作主要是不断降低用于曝光的光线的波长。通过这种方法，不断提高光刻分辨率，分辨率高了，同样大小的硅晶圆上，可以生产更多的芯片。
随着芯片器件尺寸不断缩小，对工艺的要求越来越高，最大的瓶颈就是分辨率的提高，而光刻机的发展逐渐跟不上节奏了，更小波长的光刻机难以制造，因此出现了一系列分辨率增强技术，例如离轴照明、多级光源，光学临近效应修正，移相掩模，光源掩模协同优化，多重曝光，自对准多重光刻技术等，这些技术的出现，将摩尔定律硬生生延续了下来，当然，也有人在研究光刻技术的替代技术，例如纳米压印，DSA等。
第四、芯片技术的物理极限二：量子效应
随着芯片尺寸的进一步缩小，新的“物理极限”出现了。这就是我们传统计算机芯片的设计理念问题。我们都知道的，现在的电脑是基于数字电路0、1这样的逻辑电路搭建起来的。而随着芯片尺寸的减小，最小的PN结也在不断的减小。由于量子效应，PN结不能形成之前的工作状态，也就是说，不再表现出0和1这种状态，量子效应成为了数字集成电路的拦路虎。
这怎么办呢？其实，需要的不是做新的PN结出来，因为PN结已经无法再小了。科学家们做的工作是，发展下一代计算机技术：量子计算机。这种计算机的工作原理跟我们现在的计算机是不同，它是利用量子的波函数来进行计算的。它的计算逻辑不同於数字电子计算机，量子计算用来存储资料的对象是量子位元，它使用量子演算法来进行资料操作。
这种转变就跟当年的模拟电话网络向数字电话网络转变的道理一样，也和我们的电脑网络从最初的局域网到互联网的转变，从简单的RS232、RS 485再到10兆、100兆、1000兆以太网，从同轴、到双绞线再到光纤，这种变化其实就是新的技术手段代替老的技术手段的过程。面对无法再小的数字化集成电路科学家祭出的新的手段就是量子计算，用量子计算来取代数字计算，让计算能力进入到一个新的发展阶段。
全文总结
认真阅读到此处的小伙伴们可能已经看出来了，其实并没有什么所谓的“物理极限”，人类每次遇到这样的极限，其实都意味着下一个突破的开始。与其被其所限制，不如对其加以利用，这就是人类智慧的亮点。人类已经不止一次用自己的智慧证明：每一次的阻碍都将让我们能够站得更高。
欢迎关注老郭的账号，关注科学话题，我将持续为您提供高质量的内容。欢迎点赞、评论和转发支持。
以前的观点普遍认为7nm是硅材料芯片的物理极限，摩尔定律终于是触碰到了天花板。不过这两年7纳米都已经投入生产了，5纳米工艺也在半导体工厂准备中。计划可以在2020年面世。
硅材料芯片的物理极限是5纳米，如果超过5纳米这个界限就会发生“量子隧穿效应”的量子力学现象发生，一系列过程后最终让电子失控导致晶体管无法关闭。晶体管无法关闭对芯片来说是什么概念？
至于再高级的芯片制造工艺则是美国的劳伦斯伯克利国家实验室宣布采用碳纳米管复合材料可以将芯片制造工艺缩紧到1nm，这是打破了芯片5纳米物理极限？
打破芯片物理极限的1纳米工艺是两种新采用的材料运用让其变成有效事实。这两种材料是二硫化钼和碳纳米管。
1纳米工艺主要半导体材料从硅变成了二硫化钼。不同于硅，流过二硫化钼的电子变重，在门电路长度在1纳米时也能对晶体管内的电流进行控制。
另一方面因为采用二硫化钼做为半导体材料，但光刻技术还跟不上相应水平，所以实验室团队采用空心圆柱管直径只有1纳米的碳纳米管。这种碳纳米管和二硫化钼制成的栅极正好可以有效控制电子，避免“量子隧穿效应”发生。
目前1纳米工艺还在实验室理论验证的过程中。真要到1纳米大规模实际应用后转到更小的制造工艺埃米上，估计我家娃都大学毕业了。嗯，今年我家娃上小学一年级。
在科学家那大容量脑洞中，还存在着另一种用于实现计算的芯片来代替硅芯片，这种芯片就是量子芯片，实现的计算方式正是量子计算。
量子计算是基于量子力学的规律进行调控量子信息单元计算的计算模式。由于量子力学具有叠加特性，科学家普遍认为量子计算要快于传统计算机。
事实上量子计算概念从上世纪80年代初期提出至今，世界各地的政府、科研机构对量子计算机的研究已经取得了很大的进展。也出现了使用量子特性技术的科技，比如我国用于量子科学实验的卫星---墨子号。
科学家的脑洞自然不止于量子计算技术，现今科技界还存在一种另辟奇径的计算方式，AI计算。
目前科技打造的AI芯片仅仅是进行一些辅助工作的超弱人工智能芯片。按照AI等级划分来看，AI芯片还得历经弱再到强的过程。在AI芯片发展到一定程度的时候完全可以做到妹仔大过主人婆来替代传统计算。具有强逻辑性和强分析性的高级AI芯片，其计算能力无需质疑也无可取代。
和原始人使用工具推动社会进化一样。或许，当今人类未来科技的发展也离不开AI计算。
标签： 先进制造技术的论文
