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1CPU制造工艺展望班级：网络工程一班姓名：温志怀学号：20135916指导老师：戴长建没有什么东西是永远存在的，谁都有走向终点的一天，我们和PC都不会例外。PC以及电子计算机体系建立在现代半导体技术基础之上，这一领域在过去的几十年间曾经多次遇到发展的瓶颈，而且也不止一次的被宣布已经濒临崩溃的边缘，但我们的确很少去量化的思考PC以及电子计算机体系究竟将会在何时终结的问题。我们的PC乃至整个电子计算机体系距离终点还有多远？有没有谁能充当电子计算机以及PC的继任者？在那之前我们都能做些什么呢？其实PC的理论极限距离我们还很遥远，即便是在“远古”的上世纪八十年代，可预期的甚至是可以通过模型在实验室中实现的基于光刻技术的电子元件的几何尺寸也可以达到几个埃（0.x纳米），如果以今天的技术来衡量，我们甚至可以把元件的尺寸做到原子级，但是理论上能够实现并不代表在工业级的场合能够造得出来。半导体工业毕竟是一门把技术转变成消费品和财富的手艺，它始终要遵从可制造性原则的限制，能够在实验室当中实现与能够造出来卖钱/使用完全是两个次元的概念，当前技术范畴下的电子计算机在可制造性方面还是存在极限的。当工艺触及到这一极限而又无法突破时，电子计算机的终点也就到了。PC/电子计算机的极限源自多个层面，包括但不限于光刻反应速率，刻线宽深比，光刻稳定性，EoT（等效氧化物曾厚度）极限，基底隧穿以及栅极减薄隧穿，还有由此一系列问题所带来的下游效应和……不计其数的问题，这里涉及太多物理学（同时包括宏观物理学和量子物理学）、物理化学、材料学以及反应工程学方面的知识，说多了全是泪，所以我们不再继续深入讨论，而是根据综合信息直接给出目前所能够规划到的半导体工艺极限——1nm。在线宽低于1nm时，目前及可见未来的技术均无法突破可制造性问题以及物理表达形式层面的极限，芯片可以被制造出来，但它的运行状态以及良率完全无法得到有意义的保证，因为这一尺度的量子效应会更明显的反映出观察者的存在和干扰，我们甚至没法知道一颗挂掉的芯片究竟是哪里坏了又为什么坏了，无论收集问题还是解决问题都无从谈起。1nm工艺距离现在还有多少时间呢？粗略算下来，在不考虑半代工艺的前提下，半导体工业还有14/10/7/5/3以及2nm工艺总计6代的可发展余地，按照当前节奏来看起码还应该有144~216个月左右的周期（考虑到工艺下探难度的提升以及需求放缓导致的增速放缓，我们将工艺升级周期从摩尔定律周期模糊处理至24~36个月）。换句话说，如果这一极限在18年内得不到被突破，甚至是连具有可行性的解决模型都没有出现的话，电子计算机以及基于电子计算机技术的现有形态PC就算是到头了。电子计算机最“科幻”、最具希望、最被公众所期待同时也是最难以被理解的继任者，毫无疑问的当属量子计算机。顾名思义，量子计算机基于量子以及量子比特作为运算基础，使用粒子的纠缠态、退相干过程或者隧穿效应等量子效应来完成运算，能够达到常规电子门电路无法达到的运算速度和并行度。不过有介于纠缠态以及退相干过程与宏观及日常经验认知之间巨大的差异，我们不打算在这里白费力气的去解释这两种现象……跟量子力学一样，量子计算机以及量子比特也属于“根本就不是要让人明白”的那种存在。虽然原理难以被理解，但量子计算机的发展速度相对其他方案而言完全称得上动力全开，这种新的计算模式已经有了许多接近具备解决实际问题能力的原型机。量子计算过程并非基于二进制，这与现行的电子计算机计算体系有着巨大的冲突，而且量子计算并不能进行现实意义上的逻辑运算，它仅能利用纠缠态完成运算然后输出同样处于纠缠态的结果，这些结果处在无法操作的状态，需要复杂的转换过程才能变成具有实际意义的结果，这带来了大量的重建协议工作，所以目前量子计算还仅用于加解密以及部分数学问题等特殊且极具针对性的领域，并不具备进行实际通用计算或者与现有电子计算体系融合的能力（D-wave系列已经算是一次这个方向的尝试了）。量子计算的民用化也存在相当现实的障碍，比如说为了抑制热噪声以及粒子热振动对维持纠缠态的影响，大部分量子计算机的原型都需要超导级低温的协助，以可接受的成本和形式在卧室或者办公桌上实现持续稳定的零下200度以下环境不是一件容易的事，所以如果未来的技术无法在常温环境下构筑量子门电路的话，预测量子计算机PC化无异于写科幻小说——首先，您要先有一台凭借核心科技让每天耗电低至一度的，能够将一台机箱大小的元件顺利冷却至超导温度（还不能冻到外面）的冰箱，最好还是变频的……如果市场环境（主要是构筑云所需的带宽环境）能够接受，同时量子计算在技术、协议以及编程环境等领域均发展稳定且可以正常提速的话，我们认为这样的远景在25~35年之后可以实现，如果人类在退相干领域取得决定性的技术突破并伴有重大需求刺激，这一进度最多可以提前到15年左右。取个中数的话，也许20~25年之后，您就能捧着一个小窗口畅快的享受量子计算带来的“一股神秘的速度”了。光子/光电子计算机并没有量子计算机那么“玄幻”，它所基于的基础理论是相当简单自然的光学和光电效应。光子计算机使用光子来替代电子完成运算及操作过程，除了需要发光元件（激光器）以及对应的光导纤维作为“导线”之外，它并没有提出太多过分的技术要求，所以曾经一度被认为是最有希望替代电子计算机的新计算方式。光子拥有相对论范围内最快的速度，本身没有质量，与自身及其他物质的相互作用远低于电子，所以光子/光电子计算机的能耗低，避免了电子在速度、传输能量损失以及工作发热等层面的束缚，信号传输及处理快，具备先天的并行传输/存储信息能力，而且可处理数据类型相当广泛并且“实在”，对现有的二进制体系相对友好，如果基于光电转换/电开关，现有计算协议可在相当程度上予以保留。较低的“理论难度”并不意味着同样较低的“实现难度”，人类虽然已经拥有了数百年（镜子不能算，我们以牛顿开始分光处理并系统研究光学起计）成熟的操作和控制光线的历史，但在微观领域完成同样的事却并不容易。在半导体层面实现小尺寸可用光学元件，尤其是可以在常规环境下稳定使用的光栅开关仍存在困难，技术瓶颈相当明显。而如果使用光电转换将光信号转化回电信号加以处理，协议复杂不说接口部分的速度还难以提升，所以光电子的运算速度起码在现在看来没什么优势可言。既然是上帝能够创造了光，我们何时才能用光来计算恐怕也只有上帝知道了。天生高度并行，能耗极低，体积超小，协议重建难度介乎于量子计算机与光子计算机之间，运算模式与神经系统最为接近，运算结果可以和特定生化过程同步完成并直接将运算结果呈现为实验结果，在解决可以充分网格化的非顺序问题时有独特优势……基于DNA/RNA分子及基因编码序列，以生化过程完成计算的DNA计算机虽然距离传统意义上的“计算机”最遥远，但却拥有令人难以拒绝的种种优势。只需要一滴水大小的溶液，其中成百上千亿的DNA分子就能超快速的搞定各种难解的数学问题，如果用它来打造超强PC，那岂不是相当美好的未来图景？与量子和光子计算相比，DNA计算的起步最晚而且完成度也最低，几乎还没有真正意义上的计算原型机，绝大部分所谓的DNA计算模型都还只是试管里或者显微玻片上的一抹溶液。与前两者相同的是，DNA计算现阶段的应用范围同样狭窄，它只能被用来解决特定的数学问题而非通用计算问题，其结果表达形式也相当复杂，需要重建的协议仍旧极多，甚至连最基本的IO接口都难以构筑，对二进制体系的友好程度无法量化判明。DNA计算对环境的要求甚至远超需要超低温制冷的量子计算机，它要求绝对纯净的环境，即便是试管上最小的污渍也会给计算过程带来毁灭性的影响。DNA计算基本上还处在理论阶段，距离实用还有相当遥远的距离。不仅如此，DNA计算还存在层级或者说逼格甚高的非技术性问题——将庞大的计算能力、有序性以及逻辑性赋予理论上拥有自我复制以及形成生命潜力的存在形式，您不觉得这是个极端危险的决定么？DNA本来就是生命的基础，地球上所有生命形式都是构筑在DNA/RNA分子的生化行为之上的，如果肆意改变DNA/RNA的编码体系，让DNA/RNA具备了庞大且有序的运算能力，甚至是自反馈性以及目的性，一旦触发某个方向上的耗散系统的自组织现象，甚至由此而产生了AI或者类似AI的有序自主存在形式，其结果可能是不堪设想的。计算机如果因为强大的运算能力而产生了AI，那也不过是机械或者某些有争议的智慧体而已，如果DNA运算体系产生了AI，其产物可就有可能是毫无疑问的“新的智慧生命”了……不可否认，DNA计算的特性造就了其无可替代的价值，未来的医学、生化以及生物学研究将会越来越多的从其中获益，诸如拓扑学、任务的无损拆解及网格化还有神经系统模型的研究也能因DNA计算模型中得到帮助，但DNA计算应该存在不可逾越的红线——不要触及实际的通用运算任务，不要形成系统性的计算体系，更不要拿它来替代电子计算机。工艺的极限是存在的，如果无法突破同时又没有继任者，在现有环境下继续进行技术改进并寻求新的解决方案就成了必要的手段，比如说出现在当前GPU业界的“向逻辑结构而非工艺要效率”的设计思路无疑是有益的尝试。如果能在相同工艺环境下通过优化逻辑结构设计来提升硬件架构的性能功耗比，我们就有了更晚触及工艺极限的正当理由。当然，由于逻辑门电路的基本结构已经几无优化余地，对其宏观组合方式的优化并不能让我们永远回避性能滞涨的问题，最后回到向频率要性能的路上是唯一的结局。但对于打着摩尔定律的旗号向终点发足狂奔的整个PC及电子计算机业界而言，这种尝试无疑提供了宝贵的时间缓冲以及需求缓冲。总之，如果电子计算机体系寿终正寝，整个产业以及我们的生活都将会随之发生巨变。无论用哪种技术手段接替，届时要更换的都将不仅仅有设备，还有几乎所有内外部协议和应用环境，这不光是技术的问题，同时也是产业、消费者甚至社会环境的大问题。除了成本堪称天文数字，对整个人类的文明也将会产生未知且深远的影响。回望历史，每一次遇到文明进步中的阻碍时，人类智慧总能带来革命性的惊喜。蒸汽机将人类带入了蒸汽时代也带入了第一次工业革命，19世纪中期，电力工业和电器制造业迅速发展，人类跨入了“电气时代。第三次工业革命把我们带进了电子时代。我们也有理由相信，在以后的几十年，会有更多的科技惊喜，带来新的计算机与科技，带来第四次工业革命！