单位晶体管老化的原因 (单位晶体管老本降低定格在28nm-过去十年芯片没有变得更廉价)

半导体行业先驱、英特尔联结开创人戈登·摩尔（Gordon Moore）在1965年提出：未来十年里，芯片的晶体管数量会每年翻倍。起初戈登·摩尔对之前的说法启动了批改，周期变成了两年，起初加州理工学院的传授Caverns Mead将其总结为半导体行业的法令，称之为“摩尔定律”。

如果**自己生产28纳米手机芯片和代工5纳米的性能有多大差距？

个人感觉，手机关键还在优化，设计好组合优化好，性能就可非常流畅，只要是玩玩微信，小 游戏 ，追追剧，现在的28纳米芯片也够用，没必要非要用高端芯片，美国封锁**，我还会继续用**，因为**手机确实不错！

手机芯片28nm和5nm差距有多大，其实很好判断，大家只要看一下当年采用28nm制程的芯片和现在7nm芯片之间的性能对比就行了。

通常业内用测试跑分来对比当前手机芯片的性能，这里其实我们也可以继续参照这种对比方式。

直接对比现有28nm和7nm芯片性能： **从**910开始采用28nm制程，后续**920、**930也都是这个工艺制程，到**950开始**采用16nm制程，而之后到**980开始使用7nm制程。所以，想要了解28nm芯片和5nm芯片性能的差距，直接看**930和**980的差距就行了。

当年采用**930芯片的荣耀X2在安兔兔下跑分为5万多分，而采用**980的Mate20安兔兔综合跑分成绩为27万分，仅从跑分上来看28nm制程的**930性能只有7nm**980的一个零头，这个差距不知道在题主看来大不大，在我看来可以说天壤之别。如果换成5nm芯片，这个差距应该会更大。

28nm芯片手机无法适应现有应用环境： 如果**未来真能自建IDM体系，并且生产28nm制程芯片的手机，那么可以肯定的说，这个手机在当前环境下根本没法使用。即便操作系统基于旧版Android，但怕是仍然无法流畅运行起来，毕竟现在国产APP都非常臃肿，功能繁多！

以5年前的手机性能根本带不动现在的APP！这样的手机只能具备最原始的通信打电话功能，剩下其他智能手机该有的功能怕是运行不了。

当然，也有人或许会说，**芯片这2年发展不错，芯片设计技术应该有很大提高，设计的芯片性能应该会比当年的**930强。这种可能性的确存在，但性能提升会导致功耗急剧增加，28nm这样的工艺怕是根本压不住这点功耗，届时推出的芯片可能根本无法有效应用于手机上，内部设计、散热、续航都将是严重的问题。

Lscssh 科技 官观点： 综合来说，**28nm芯片在我看来是不可能推出的，这个制程的芯片可以用在智能家居，用在电视芯片，甚至是基站芯片，但是手机芯片绝无可能使用28nm，这样的机型性能太弱了，撑死作为老年机使用，你让主流用户作为主流机型来使用根本没市场。

因为采用旗舰芯片的旗舰手机的关注度最大，所以对于手机芯片的制造工艺最长听说的是7纳米工艺甚至5纳米工艺，其实28纳米的生产工艺也不落后，仍然在当今主流晶圆代工厂中占据一席之地。

因为美国的quanm8ian制裁，**先进的**芯片无法继续委托台积电代工生产，而**芯片作为**手机的核心 科技 重要性不容置疑，**必然不会放弃研发多年的**芯片，按照**的风格，**很有可能自己打造一条不含美国技术的芯片生产线，就我国目前在芯片制造领域的技术积淀，打造出一条25纳米的芯片生产线不仅是极具性价比的，也是可行的，因为我国的上海微电子已经研发出28纳米的光刻机，中微半导体已经自主研制的出5 纳米等离子体刻蚀机，取得了业内领先水平，在芯片的封测领域我们也并不落后，**有能力整合国内技术建立一条28纳米的芯片生产线，**的南泥湾项目也有提及。

在半体领域其实对于很多产品28纳米的工艺已经够用，28纳米工艺是芯片制造发历程的一次里程碑，技术非常成熟，相对上代45纳米的生产工艺不仅性能提升巨大在功耗和发热方面也有不错的表现，28纳米工艺与目前已经量产的最先进的7纳米制造工艺相比，性能上的差距大约只有20%，功耗上的差距40%左右，在可以接受的范围内，其优势是成本很低，便于大量生产。

另外，28纳米的生产工艺十分适合用于基站芯片的生产上，一旦**掌握了28纳米的芯片生产就可以保证5g通讯业务的运营和发展；同时也可以批量生产中低端的**手机芯片，对于抱住手机业务、打破美国的制裁有着极其重要的最哦用！

差距将会非常大！**手机的性能将会大幅度降低，进而在手机市场上彻底失去竞争力。

28nm芯片最火的年份是2015年

为了回答这个问题，我特地去查询了相关的资料，发现28nm的芯片确实没有我们想象中的那么不堪，在2015年28nm芯片代表着当时工艺的巅峰。

**930系列、苹果的A7芯片以及高通的一代神芯650都是使用的28nm制程，当时搭载这些芯片的手机目前还有极少的一部分依旧有消费者在使用。从手机表现上看日常打开一些常用的APP完全没有任何问题，基本上可以满足中老年人对手机的需求，但是如果想玩网络 游戏 ，那么体验感将会非常差。

换句话说如果**未来真的在自己的手机上全部搭载的是28nm的芯片，那么在手机性能上至少要落后友商五年以上。尽管部分忠实的客户可能会继续选择**，但是大量的青少年用户必然会转投其他品牌。

就算是28nm的芯片，**生产起来依旧有困难

可能**一路高歌猛进给了大家太多的信心，让大家觉得**无所不能。其实从现在的情况上看，就算是落后的28nm工艺，**依旧没法生产出任何一片芯片。

大家要知道**虽然有手机业务，但是在芯片代工这块完全没有任何底子，一直都是选择和其他代工厂合作，比如台积电或者中芯国际。由于美国的制裁来的太急太快，**现在基本上没有任何准备，只能被迫应战。别说生产自己需要的芯片了，实现芯片加工中的任意一环都面临着极大的困难。

现在**最好的办法就是收购一家芯片代工厂，然后从头开始去美国化，逐渐的建立起一条纯国产的芯片加工生产线。虽然短期内难以见到成效，但是这可能是我们摆脱美国芯片技术依赖的第一步。

**目前还没有到山穷水尽的时候

其实大家不要想着**被迫使用28nm这种悲惨的情况，**现在依旧还有很多翻盘的机会。

1.联发科继续在美国游说

虽说前段时间的禁令让联发科被迫停止给**供货，但是联发科却不舍得放弃**这个大金主，一直在谋求恢复和**的联系。

目前联发科已经给美国提交了继续给**供货的申请，并且开始利用自己的关系网想要达成这笔交易，相信不久之后就会有结果。

2.高通也在眼馋**订单

虽说高通一直没有得到给**供货的机会，但是现在可能机会来了。

目前**在芯片方面缺口极大，这对美国的半导体行业来说都是一块大肥肉。目前美国的禁令让联发科暂时失去了**的订单，这无形中给了高通可乘之机。肥水不流外人田，如果高通能拿下这笔订单，那么对美国来说也算是一件好事。

3.国家下场可能性极大

**由于近几年在5G方面取得了非常多的成绩，已经成了中国 科技 企业的一面旗帜。现在被欺负的这么狠，也是扫了我们国家的颜面。

国家之所以现在还没有下场，估计是看中**还没有到山穷水尽的时候。一旦**被迫使用起28nm的芯片，那么国家可就没有任何理由袖手旁观了，该出手时肯定会出手。

总的来说**如果使用起28nm的芯片，那么手机水平基本上倒退到五年之前，就算芯片调校的再好也难掩性能方面的差距，那时候**的手机业务也基本上完了。不过**目前还有诸多的变数，**自己也在努力自救。

中华有为，**必定会无畏艰难，进而创造更多的可能！

普通百姓不懂这些，只要能装微信，不卡，价钱合理，我还是买**，支持国货，我是中国人

如果**自己生产28纳米手机芯片和代工5纳米的性能有多大差距？

题主问题的核心是如果**自己生产28nm手机芯片和代工5nm的性能有多大的差距？差距会很大，实际芯片生产随着工艺的提升，芯片的提及更小，功耗和发热控制的更好，虽然很多人说如果不考虑其他因素，28nm芯片同样也可以做到7nm或者是5nm的性能，确实是这样，但是这需要良好的散热，毕竟手机不是电脑有那么大的体积，电脑芯片即便是14nm，因为功耗和发热做的更好，也要相比现在手机芯片7nm更强势。

我们是否还记得高通骁龙高通801系列，当初被人们成为火龙，他就是28nm工艺，而当时大家都是如此，所以在当时**的自研发处理器并没有很出彩被人们熟知，虽然后续的高通808和810都是用了20nm，但是功耗和发热依然控制的一般。一直到14nm工艺的**820处理器，才有了改善了发热和功耗的问题。

所以你要说**如果使用28nm的工艺，确实和现在的5nm是没有办法来对比的。

一方面是随着手机性能的提升，APP在不断的增加更多的功能，所以变得更大，当初本身功耗和发热都没有控制住，更不用说把当初的处理器放在现在的手机中了，功耗和发热实际会更大，因为随着手机性能的提升，硬件方面也在不断的加强，毕竟驱动能力更强了，而且也因为工艺的提升，功耗和发热降低了很多，所以即便是处于高速运转模式，实际发热也是有限的。

但是如果换成28nm则不同，因为他需要面对的是现在的手机硬件。所以本身平时使用功耗和发热就不低，就更不用说来处理现在的程序和应用了，高速运转模式下，手机估计发热就不会去停止。

而且现在我们也发现28nm基本上都是用在路由器，以及包括电视方面的芯片，因为他们散热可以做到更好，甚至现在像电脑都开始向着7nm和10nm发展了。

总结和看法：

所以这是没有办法做比较的，28nm要想用在手机端，需要考虑两个因素，第一个是保证性能，芯片工艺的提升，晶圆的体积更小，但是晶体管数量更多，也就是说性能的提升，但是功耗更低。第二个是需要考虑到手机的体积的限制，因为确实28nm功耗和发热要达到5nm工艺，可以加入更多的晶体管，甚至多个CPU，但是功耗和发热要更低，但是手机厚度和重量是必须要去考虑的。

回答完毕

假如**只能生产28纳米手机芯片和代工5纳米的性能到底差别多大

可能一些我们不愿意遇到的情况已经可能会出现，那就是**真的会缺乏5nm工艺制程的手机了。我们首先说下，到底5nm工艺提升了多少？

台积电表示：与之前的7nm工艺相比，同样性能下5nm工艺功耗降低30%，同样的功耗下性能提升了15%。

而你得知道的是，这种性能的提升，已经非常明显的告诉大家，5nm绝对不是简单的一招一式的提升，相对于现在的7nm工艺的提升是一种跨量的提升。这对于**来说确实会存在一定的压力，毕竟**的5nm工艺制程的芯片，很可能会陷入到一种无奈之中，毕竟你能够很明显的感觉到的是，如果**缺乏了5nm芯片，面对它的很可能就是采用其他方面的芯片制程。

如果是采用了28nm工艺制程的话，**确实会相比5nm工艺制程的问题会存在一定的差距，毕竟28nm工艺制程的特点相比5nm确实相差有些大。

其实，你也知道的是，**如果生产的是28nm工艺制程的话，确实会影响**在手机市场的发展，但是我们不认为**会走退步路，28nm也不会使用在手机中，毕竟从现在5G手机的要求来看，**如果使用的是28nm工艺制程，可能会带来的是比较大的工艺制程的影响，特别是功耗方面的影响，这些方面都会影响手机的发展。

所以，我们不认为**会推出28nm工艺的手机了，应该会想方法解决芯片方面的问题，拭目以待。

不得不说一个很尴尬的事实，即使是28nm技术**现在也不具备，至于28纳米跟5纳米的性能差距有多大，那只能说一个天上一个地下。

我们先来看看手机芯片制程工艺的进化，28nm制程工艺最早是2011年的台积电，一直持续了三年，直到2014年出现了20nm制程后，28纳米=才淡出视线。而5nm最早也是今年下半年，大面积使用多半在明年，就以2020年为时间点来说，28纳米技术和5纳米技术相差了整整9年，按照手机一年一次大更新的节奏来说，这相当于从安卓1.0时代来到现在的安卓10.0。换句话说，28纳米工艺就是智能手机初期水平，比现在的百元机都还差。

可能很多人不以为然，毕竟制程工艺不够，那就架构来凑。话是不错，可看看前两年红米note8Pro，搭载了联发科的G90T处理器，当时采用12纳米技术，就因为用的A76架构，被很多人疯狂DISS，认为这一根铜管压不住散热。所以现在**用28纳米工艺，再结合A76架构，那生产出来的芯片将会严重畸形，先进架构的散热和老式工艺制程的两个对立面把这个缺口撕开得无限大。换句话说，28纳米这粗货无福消受A76架构，只能通过降频，或者换低级架构来中和。

所以保守估计，6-8年的性能差距是有的，再不济5年的差距是妥妥的。5年在手机圈就是不可逾越的鸿沟，毕竟现在的**820都是前几年**970的水平，那**生产出来28nm制程的芯片，可能带动现在的微信都费力。甚至系统都无法实现流畅运行，现在的EMUI安装包容量真不小，这颗芯片想要带动还真有点困难。

所以**用28nm制程工艺的芯片，那就只能在低端市场玩，中端人家都看不上。这差距有多大就不言而喻了吧！

我看过一个新闻报道，在2011年的时候台积电就拥有了28纳米工艺，并且开始量产28纳米芯片。

注意，这可是9年之前，那个时候**系列芯片还没有诞生。当时的**在智能手机业务上一塌糊涂，而小米也不过刚开始起航。

再联想到我国今年才有自主产权的28纳米光刻机，你就知道国产顶级光刻机与国外最先进水平的光刻机差距有多大。

同样在摩尔定律没有失效的情况下，芯片性能几乎每年都有突破性的进展。而芯片因为制程的进步，工艺越先进，单位面积内集成的晶体管就越多，性能就越先进，同时功耗就越低。

说实在的，28纳米的手机芯片与5纳米的手机芯片根本就不是一个等级的东西，放在一起根本无法比较。

**前三代芯片为28纳米工艺制造，28纳米的最后一代产品**930，技术与高通的同期产品相差甚远，并没有用到旗舰产品上，只用在了低端的荣耀X2与平板产品上。

而5纳米芯片会用在最新的旗舰产品上，两者的性能有天壤之别。而最直观的例子，**930的跑分只有990的零头，两者有接近10倍的差距。

当初的28纳米芯片只有CPU与GPU，根本没有NPU这样的图像处理模块，用这样的芯片，估计带不动目前的手机，哪怕是低端手机也够呛。

有人说28纳米在手机上不能用，却能够在基站、电视等上面使用，这种看法确实没问题。但芯片制造工艺的进步一定会带来性能的大幅度提升，所以不少产品都需要进行更新换代。我们希望国产半导体厂商尽快取得突破。

芯片性能本身差距不明显，但是集成系统后差距明显，更小的身材更多的集成可以让你拥有更好的体验，更流畅的速度，更丰富的功能，更小的体积，当然你只是用来发发微信，追追剧，这些差距可以忽视了

28nm芯片和5nm芯片的用途以及两者有何本质区别？

28nm芯片的应用面达70%，有报道称龙芯公司董事长胡伟武说加上14nm的芯片，在90.9%的应用都够了，显然，28nm芯片的应用范围比5nm芯片和3、7nm的芯片加一起都广得多，在用途上不可同日而语，

但是，与5nm芯片的本质区别却是落后很多，比3nm芯片落后得更多了，比7nm芯片都明显落后，在性能和功耗上都不可相提并论，要不然，**就不会要采用3D堆叠封装技术、利用不那么先进的制程去做有竞争力的高端芯片！

中芯国际当前在工艺技术上和台积电的区别正是5nm。中芯国际与台积电的相同之处在于，由于掌握了28nm芯片工艺技术，实现了这个制程芯片的量产，并正在扩大这个制程芯片的产能，还同样掌握了14nm、12nm、N+1、7nm 4 个制程的技术，而且，其中的前 3 个制程曾经实现规模量产，7nm的本来能在2021年进入风险量产，就是说，到今天本应该差不多仅剩下5nm技术没有掌握更没有量产的区别了。

然而，由于众所周知的原因，目前，中芯国际只剩下28nm芯片的量产在继续、产能在拓展，与台积电相同的地方大大减少了，与台积电可媲美的优势仅此一个；中断发展的制程则多达 4 个，至于5、3nm这 2 个制程技术的全面开发根本就不能开始，与台积电的区别大大增加了，有了一连串的并非本质的现实区别、事实上的劣势，还只能眼看着台积电将分别在今年下半年和2025年量产 3 nm和2nm的芯片，差距越来越大。尽管有差距，但是我相信中芯国际最终当然也能把先进制程发展起来，和台积电一样代工出良品率达到业界标准的5、3、2nm芯片

计算机发展前景是什么？500字！老师罚的，我没有做作业，

计算机科学发展趋势时，通常是把它分为三维考虑。

一维是是向高的方向。

性能越来越高，速度越来越快，主要表现在计算机的主频越来越高。

像前几年我们使用的都是286、386、主频只有几十兆。

90年代初，集成电路集成度已达到100万门以上，从VLSI开始进入ULSI，即特大规模集成电路时期。

而且由于RISC技术的成熟与普及，CPU性能年增长率由80年代的35%发展到90年代的60%。

到后来出现奔腾系列，到现在已出现了奔腾4微处理器，主频达到2GHz以上。

而且计算机向高的方面发展不仅是芯片频率的提高，而且是计算机整体性能的提高。

一个计算机中可能不只用一个处理器，而是用几百个几千个处理器，这就是所谓并行处理。

也就是说提高计算机的性能有两个途径：一是提高器件速度，二是并行处理。

与前所述，器件速度通过发明新器件（如量子器件等），采用纳米工艺、片上系统等技术还可以提高几个数量级。

以大规模并行为标志的体系结构的创新与进步是提高计算机系统性能的另一重要途径。

目前世界上性能最高的通用计算机已采用上万台计算机并行，美国的ASCI计划已经完成每秒12。

3万亿次并行机。

目前正在研制30万亿次和100万亿次并行计算机。

美国另一项计划的目标是2010年左右推出每秒一千万亿次并行计算机（Petaflops计算机），其处理机将采用超导量子器件，每个处理机每秒100亿次，共用10万个处理机并行。

专用计算机的并行程度比通用机更高。

IBM公司正在研制一台用于计算蛋白质折叠结构的专用计算机，称做兰色基因（Blue Gene）计算机，一块芯片中就包括32个处理机，峰值速度达每秒一千万亿次，计划2004年实现。

将几千几万台计算机连结起来构成一台并行机，就如同组织成千上万工人生产一个产品一样，决不是一件容易的事。

并行计算机的关键技术是如何高效率地把大量计算机互相连接起来，即各处理机之间的高速通信，以及如何有效地管理成千上万台计算机使之协调工作，这就是并行计算机的系统软件—操作系统的功能。

如何处理高性能与通用性以及应用软件可移植性的矛盾也是研制并行计算机必须面对的技术选择，也是计算机科学发展的重大课题。

另一个方向就是向“广”度方向发展，计算机发展的趋势就是无处不在，以至于像“没有计算机一样”。

近年来更明显的趋势是网络化与向各个领域的渗透，即在广度上的发展开拓。

国外称这种趋势为普适计算（Pervasive Computing）或叫无处不在的计算。

举个例子，问你家里有多少马达，谁也说不清。

洗衣机里有，电冰箱里有，录音机里也有，几乎无处不在，我们谁也不会去统计它。

未来，计算机也会像现在的马达一样，存在于家中的各种电器中。

那时问你家里有多少计算机，你也数不清。

你的笔记本，书籍都已电子化。

包括未来的中小学教材，再过十几、二十几年，可能学生们上课用的不再是教科书，而只是一个笔记本大小的计算机，所有的中小学的课程教材，辅导书，练习题都在里面。

不同的学生可以根据自己的需要方便地从中查到想要的资料。

而且这些计算机与现在的手机合为一体，随时随地都可以上网，相互交流信息。

所以有人预言未来计算机可能像纸张一样便宜，可以一次性使用，计算机将成为不被人注意的最常用的日用品。

第三个方向是向深度方向发展，即向信息的智能化发展。

网上有大量的信息，怎样把这些浩如烟海的东西变成你想要的知识，这是计算科学的重要课题，同时人机界面更加友好。

未来你可以用你的自然语言与计算机打交道，也可以用手写的文字打交道，甚至可以用你的表情、手势来与计算机沟通，使人机交流更加方便快捷。

电子计算机从诞生起就致力于模拟人类思维，希望计算机越来越聪明，不仅能做一些复杂的事情，而且能做一些需“智慧”才能做的事，比如推理、学习、联想等。

自从1956年提出“人工智能”以来，计算机在智能化方向迈进的步伐不尽人意。

科学家多次关于人工智能的预期目标都没有实现，这说明探索人类智能的本质是一件十分艰巨的任务。

目前计算机思维的方式与人类思维方式有很大区别，人机之间的间隔还不小。

人类还很难以自然的方式，如语言、手势、表情与计算机打交道，计算机难用已成为阻碍计算机进一步普及的巨大障碍。

随着nternet的普及，普通老百姓使用计算机的需求日益增长，这种强烈需求将大大促进计算机智能化方向的研究。

近几年来计算机识别文字（包括印刷体、手写体）和口语的技术已有较大提高，已初步达到商品化水平，估计5-10年内手写和口语输入将逐步成为主流的输入方式。

手势（特别是哑语手势）和脸部表情识别也已取得较大进展。

使人沉浸在计算机世界的虚拟现实（Virtual Reality）技术是近几年来发展较快的技术，21世纪将更加迅速的发展。

说到计算机科学同其他学科的关系，我认为有几个学科和计算机科学的发展关系很密切。

从技术的角度说，通信技术与计算机科学是密不可分的，实际上，通信技术中的很多设备就是一台专用的计算机。

另外是各种工业制造中也离不开计算机。

例如，将来的汽车、飞机中的大量部件都是计算机构成的。

未来一部汽车主要的成本可能不是车身、轮子、发动机，而是其中的微处理器芯片和软件。

从科学的角度说，我认为计算机科学与生物学的关系会越来越密切。

科学的发展的一般规律是每隔四五十年就会有新的技术出现，来拉动其他学科的发展。

最近二三十年是以是以微电子、信息技术为标志的科技浪潮。

这一段时期预计到2020年基本结束。

下一次科技浪潮将是以生物技术为标志的科学的飞跃。

而与以生物信息学为代表的生物与计算机科学的交叉学科正在蓬勃地兴起。

例如用信息学的理论和方法去研究生命科学，未来可能会有很多学计算机的人去从事生物信息学的研究，这是未来研究的一大热点。

从另外一方面来说，其他学科反过来也会促进计算机科学的发展。

目前计算机用的几乎都是半导体集成电路，但现在人们也在努力研究基于其他材料的计算机，如超导计算机，光学计算机，生物计算机等，比如我们常听到的生物芯片技术。

但目前的生物芯片还只是作测试用，还不能够用来计算。

虽然这些技术现在还都不成熟，与实际应用有很大的差距，但可以预计这些技术的发展必将使计算机科学的前景更加美好。

记 者：网络的出现极大地改变了我们的生活，也使得计算机技术走进了千家万户。

它的发展前景十分美好。

但是我们知道，在科学研究中经常会遇到意想不到的困难。

您认为当前计算机科学发展遇到的主要困难什么？李国杰院士：当前计算机科学的主要问题有三方面。

首先是复杂性的问题。

计算机科学的实质是动态的复杂性问题。

一个芯片的晶体管有上亿甚至几十亿个，这个数目已和大脑里的神经元的数目一样多，如何保证这样一个复杂的系统能够正常的工作而不出现错误，这已不止是一般的测量能够解决的问题了。

另外一个问题就是功耗。

当前功耗似乎不是什么问题或者说不是重要问题，但再过十几年它就会变得十分重要。

根据摩尔定律，大约每隔一年半，芯片的性能翻一翻,但是性能翻一翻可能会造成功耗也翻一翻。

功耗越大,放热越多。

现在一个芯片可能放热一两百瓦,还可以用风扇来散热,但再翻一翻几百瓦,相当于一个电炉了。

这时的散热就十分困难了。

所以,如何在提高性能的同时不增大功耗甚至减小功耗是当前计算机科学发展的重大问题。

功耗问题极为复杂,由于集成电路的微型化,将来的工艺达到0.1微米以下,每一层芯片只有几个原子,这时的单位面积上的热量已经极高了。

所以在计算机科学发展的早期就有一位著名的科学家说过计算机科学是制冷的科学。

最后一个问题是智能化的问题。

现在网上有很多信息,如何让计算机把这些信息变成你所需要的知识。

这是一件很难的事情。

这不是说简单的我点一个网站,里面能搜索到与我输入的字符匹配的内容，而是说计算机要将收集到的知识系统化。

比如,你想找一个人,你问计算机：拉登是什么人？ 未来的计算机有这个能力,它能在千千万万的网页中找到与拉登是什么人相关的内容,组织一篇文章来告诉你答案。

再如,你想知道什么是纳米技术,你就可以问计算机什么是纳米技术,计算机就会为你搜索网页,找到你所需要的答案。

硬科技报告：2nm芯片为什么特别？

1.IBM推出全球首款2nm制程芯片我想推荐的第一项进展来自芯片制造领域。

提起芯片制造，我们经常会想到台积电、三星、英特尔这种老牌芯片大厂。

但是在上周，一位 科技 圈的“扫地僧”让我们眼前一亮。

5月6号，美国IBM公司正式宣布他们成功开发出了世界上第一个达到2nm水平的芯片制造工艺。

我在文稿区放了一张这次IBM公布显微镜下的芯片照片，里面一个个排列整齐的锯齿状凸起，就是芯片中负责运算的最基础结构单元——晶体管的横截面。

可以看出其中结构精巧的程度，可以说令人叹为观止。

不过细心的同学可能会注意到，照片里面芯片最重要的微观结构，也就是晶体管中电子流动的通道宽度是12nm，跟说好的2nm不一样！这是为什么呢？其实，这就涉及芯片技术里一个大多数人都不太了解，但又很重要的知识点了。

那就是芯片使用多少纳米的工艺，虽然在很多年以前是代表芯片里晶体管特征尺寸的真实大小的，但是现如今7nm、5nm芯片中这个所谓的多少纳米，其实早都已经不代表晶体管的真实尺寸了，而只是一个技术代号（这就跟苹果11、12代手机是一个意思）。

甚至，芯片大佬之间还因为每一代制造技术究竟应该叫几纳米吵过架。

比如在前几年，英特尔公司就曾经指责台积电说：“台积电的7nm芯片里晶体管的个头，比英特尔制造的10nm芯片个头还大，简直是技术虚标！”但是没办法，台积电在过去几年中，还是无情地超过了英特尔成为全球市值第一的芯片企业。

因此，尽管名称上存在一定营销策略的考虑，但是芯片技术从7nm到如今的5nm、3nm，可以说每一代都是很成功的。

听到这里有些同学可能会问了， 那既然这多少纳米已经不代表真实的晶体管大小了，这一次IBM的所谓2nm技术是不是也有虚标的成分呢？ 目前看来还真不是。

这次IBM宣布的2nm芯片技术，至少在两个方面是有一些真本事的，很值得对芯片产业感兴趣的同学留意。

首先，就是这次IBM在芯片的晶体管密度上确实有比较大的提升 。

我们刚刚提到，如今芯片工艺的名字已经不跟晶体管的真实尺寸挂钩了，但这可并不意味着芯片每一代技术的名字就可以乱叫。

事实上，业界有一个默认的规矩，那就是只有当一种芯片的制作工艺，在单位面积上的晶体管数量（或者说晶体管的密度）比起上一代有将近一倍的提高的时候，才有资格叫新的名字。

而这一次IBM的2nm芯片，在每一平方毫米的面积上，可以制造3.3亿枚晶体管，这个密度差不多是苹果手机里5nm芯片的2倍，小米、三星等等手机里5nm芯片的3倍，确实有比较明显的提高。

要知道，晶体管的密度跟芯片性能基本上是成正比的。

引用IBM自己的话来说，这种高密度的晶体管技术，能把如今手机的续航提高到四天，对大型的数据中心、个人电脑，以及自动驾驶 汽车 ，也有很大的性能提升潜力。

为什么这么说呢？这里需要简单补充一点芯片技术发展背景知识。

在2010年之前，芯片里的晶体管使用的都是所谓的平面工艺，换句话说，那个时候的芯片即便用显微镜去观察，也还真是一个扁平的“片”。

但是，这种扁平的晶体管结构，在28nm左右就遇到了瓶颈，很难再继续缩小了。

于是英特尔公司，在2011年推出了一种被称为鱼鳍式晶体管的芯片技术。

这个技术的具体细节你不用关心，你需要了解的是，这是一种样子有点像鱼鳍的立体结构，成功地让芯片工艺突破了28nm的难关。

从2011年直到今天，所有的高端手机和电脑芯片，使用的全都是这种鱼鳍式晶体管的技术。

换句话说，如果把你正在收听得到APP的手机里的芯片放到显微镜下的话，看到的就不再是扁平的图案，更像是一个高楼林立的城市航拍照片。

可以说，正是这种芯片的立体结构，引领了过去十年芯片行业基本的技术方向。

但是令人头疼的是，如今的芯片又到了一个重要的技术节点，那就是工程师们发现对于小于5nm的工艺来说，即便是鱼鳍式的晶体管，也不好用了，会出现漏电等等复杂的失效现象。

于是，业界就热切地盼望能有一种新的晶体管结构，能像十年前的鱼鳍式结构一样，继续带领芯片制造工艺向前进步。

说到这里，就要提到这次IBM成功实现的新工艺了。

从IBM这次公布的2nm芯片照片可以看出，其中晶体管已经不再使用如今的鱼鳍式结构，而是采用了一种更加立体，结构也更复杂的全环绕式结构（也就是所谓的GAA晶体管）。

打个比方来说，鱼鳍式晶体管就好像是在硅片上造了好多平房，而这个全环绕式晶体管就如同把平房升级成了楼房。

由于微观结构更加立体，也就使得晶体管的密度突破了5nm工艺，向着更小、更先进的芯片前进。

值得一提的是，这次IBM实现的全环绕式结构，并不是它的独创，事实上包括台积电在内的许多芯片厂商也都在尝试这种新结构。

只不过这一次IBM抢先在2nm这个工艺节点上，公布了自己的成果。

因此可以预见的是，伴随着全环绕式结构，芯片技术很有可能继续迎来10年的蓬勃。

说到这里我有一个感慨，芯片技术其实是人类 历史 上极为罕见的一类技术。

因为我们人类大部分的技术突破，都不具备时间上的可预测性。

大概只有芯片技术，能够在过去60多年的时间里，持续地兑现性能指数级增长的承诺。

这里面蕴藏了无数科学家的辛勤工作和勇敢尝试。

这次成功实现的全环绕式晶体管，大概是目前业界普遍认可的未来十年最有希望的技术方向，因此我在本月将它分享给你。

很可能未来的几年，我们就会用上采用这种新工艺的手机和电脑了。

2.中科大团队将“相干光存储”时间提升至近1小时，创世界纪录我为你推荐的第二项进展，来自我国科学家在光学领域创下的一项新纪录。

在中文里，“光阴”和“时间”是一对同义词。

我想这可能是因为在古人的眼里，时间就像是光线一样只能流逝而没法保存。

但是不知道你有没有想过，光线真的不能被保存住吗？4月22号，《自然通讯》杂志报道了一项来自中国科学技术大学的新世界纪录。

研究人员成功地将“相干光存储”技术的存储时间，提升到将近一个小时的长度，比之前的世界纪录提高了50多倍。

说到存储我们都不陌生。

比如我们存在U盘里的数据，存上一两年肯定是没什么问题的。

为什么这种“相干光存储”保存一个小时就很了不起了呢？为了理解这项纪录的意义，我想还是得先介绍一下什么是“相干光存储”技术。

我们知道，光的本质是电磁场的周期性波动。

如果把光写成波动的数学形式，有三个对应的数字是我们比较关心的，分别是与光线亮度相关的振幅信息、与光线颜色相关的频率信息，以及与光传播的时间相关的相位信息。

其中，前两个与亮度和颜色相关的数字，我们比较熟悉。

举个不一定恰当的例子，我们日常生活中的每一张照片，其实都可以理解成一个光存储设备。

它记录的是一块区域里面光的亮度和颜色信息。

而我们人眼看照片的过程，就可以理解成一个读取数据的过程。

我们今天一般意义上的光存储技术，比如说光盘，只能利用光在一段时间内平均亮度来存储数据。

而刚刚提到的第三个数字，也就是光与时间相关的相位信息，我们其实并没有记录。

这就好比，图片或者视频里的每一个像素，记录的只是光在快门时间内的平均亮度。

而真实世界中发生的情况是，光作为电磁波，它在快门时间内其实振动了上百亿次，每一次振动都对应一个极其微小的时间周期，那这些与时间相关的信息，从图片或者视频里就是无从得知的。

但是，如果我们贪心一点，想把光的第三个信息——也就是与传播时间相关的相位信息记录下来，就会立刻变得非常困难。

这是主要是因为， 光的相位信息是一个非常小而且敏感的数字。

比如我们日常的可见光，如果要记录它的相位，大概等价于记录千万亿分之一秒这个级别的时间信息，这本身就是非常困难的。

而且即便能够保存这部分信息，任何一点环境中的风吹草动，都很可能破坏这个数据。

更不要说把它精确地读取出来了。

而这一次中科大的科学家们研究的“相干光存储”技术，简单来说，就是想把这个敏感而脆弱的相位信息，保存下来的技术。

听到这里，有的同学可能还会好奇，我们为什么非得保存光的相位信息，这么敏感和脆弱的数据对我们有什么用呢？这就要提到“相干光存储”一个重要的未来应用了，那就是量子通信和量子计算。

这里面的技术原理比较复杂，我只为你介绍一下其中的主要概念。

简单来说，今天量子技术的一个重要的流派，就是利用处于量子态的光来实现通信和计算的效果。

但是具备一定计算机知识的同学肯定会意识到，任何一个计算系统，如果只有通信和计算设备肯定是不行的，还得有对应的存储设备，才可能实现完整的计算功能。

而具体到今天来说呢，不论是现如今的量子计算还是量子通信技术，都还没有任何一种设备能够把计算或者通信的中间结果，用光量子本身作为载体保存下来。

这样的量子设备，就好比一个人脑子特别好用，算数特别快，能瞬间算出100万之内的加减乘除。

但是他的记性特别不好使，算完之后马上就忘了。

如果你问他1秒钟之前的计算结果，他大概率已经忘了。

所以，我们非常希望有一种方式，能够把完整的光量子的信息保存下来。

这才能够和今天非常热门的量子计算，量子通信配合成为完整的量子信息系统。

而光量子最重要，也是最难保存的信息就是刚刚提到的，与光传播时间相关的相位信息。

听到这里我想你就能明白了，尽管“相干光存储”技术难度非常大，但是科学家们认为，它很有可能是迈向光量子存储的必经之路。

所以哪怕现在的效果很一般，也要不断地进行研究和尝试。

那说到这里很多同学可能还会问，这一次中科大的科学家们是怎么做的呢？其实，如果我们忽略掉其中的技术细节，我们会发现这一次中科大的科学家们最重要的技术突破，就是通过一种原子级别的材料挑选技术，找到了一个特殊的晶体材料，能够有效地把敏感的相位信息保存起来。

具体来说，科学家们找到了一种特殊材料，也就是所谓掺有铕的硅酸钇晶体，这里面的钇和铕都是比较少见的化学元素，你不用关心具体的材料名称。

你需要了解的是，这种材料中的原子刚好能够吸收特定波长的光，把光的信息存储在环绕原子周围的电子上面，而且稳定地存储相当长的一段时间。

当我们需要读取数据的时候，这些电子会通过光的形式释放能量，相当于把我们刚刚存储进去的光发射了出来。

这也就完整地完成了光的存储和读取过程。

上面这个过程听起来还是比较简单的，但是操作其实非常的复杂。

因为在原子尺度上挑选材料，跟我们在菜市场里挑菜的难度是完全不一样的。

为了准确的地对材料在原子尺度上对光的响应特性进行测试，研究人员从2015年开始，开发了一种设备，叫做光学拉曼外差探测核磁共振谱仪。

这种设备的名字听起来就很复杂，简单来说它是用来观测原子周围电子的能量特征的。

因此才让科学家有能力对材料进行原子级别的挑选。

利用这种挑选出来的新材料，中科大的科学家们成功地把相干光的存储时间提高到了将近一个小时的长度，把之前的世界纪录提高了50多倍。

不过，值得注意的是，这一次中国科学家们实现的是“相干光存储”技术，距离我们刚刚提到的光量子存储，还有一定的距离。

其中的区别，简单来说，相干光存储技术保存的是一束光，而光量子存储技术则需要再往前走一步，记录每一个光量子的信息。

我们也期待中国的科学家能够在量子信息学领域为我们持续带来好消息。

芯片的理论极限在哪里?

芯片的理论极限：硅晶体管的极限尺寸在1纳米左右，这就是单个晶体管器件的理论极限。

可能你在新闻里经常听到一个说法，摩尔定律快要失效了，这是什么意思？是说芯片技术快要到天花板了吗？

想搞清楚这个问题，首先要明白芯片技术的理论极限在哪。因为我们相信，随着技术进步，工程上的困难迟早会被攻克，但如果是在物理原理上就根本行不通，那就没办法了。这一篇，我们就来看看，芯片技术的理论极限在哪？

1、怎么理解芯片的理论极限？

先要说明一下，今天我们讨论理论极限都是从晶体管开始谈的。为什么呢？因为不管多先进的芯片，能实现多么复杂的功能，还原到本质，它就是一个一个晶体管组合起来的。

一直以来，晶体管的性能水平几乎就代表了芯片的性能水平。那么，晶体管的性能极限在哪里呢？

我们先回忆一下晶体管的“地铁站模型”：一个晶体管是由两个“地铁站”组成的，两个“地铁站”之间有一条时有时无的通道，受到一个开关的控制，开关打开的时候，通道出现连通两个车站，电子就可以流过去；断开的时候，通道消失，电子就过不去。

这条通道非常重要，在晶体管里叫“沟道”，晶体管的速度、功耗等重要的性能指标都跟沟道长度紧密相关。你在跟芯片有关的新闻里经常听到的7纳米、5纳米，说的就是这个沟道的长度。

工艺越先进的芯片，晶体管的沟道就越短，沟道越短，电子通过沟道的时间也就越短，信息的传递自然也就越快，芯片的性能就越好。过去几十年摩尔定律不断推进，盯着的就是这个沟道尺寸。

1974年，IBM的科学家提出登纳德定律，也就是等比例缩小的技术途径。说的就是相比上一代技术，新工艺节点器件的长和宽都变成0.7倍，那么器件的面积就变成了0.49倍，约等于一半，芯片的集成度就增加了一倍。

等比例缩小在早期是一个比较容易实现的方案，就成了芯片过去几十年发展的主要推动力，但这个方案好像过于完美了，难道沟道能无限缩小下去吗？很遗憾，当然不能。

沟道长度存在着一个理论极限，就是一个硅原子的直径0.2纳米。

为什么呢？咱们设想一下，如果沟道不断缩小，直到比原子直径还短，那就意味着两个地铁站彻底连在一起了，就不再有通断之分了，晶体管没有开关功能自然就失效了。

所以理论上看，不管技术再怎么进步，只要是硅半导体材料的晶体管，沟道就不可能比0.2纳米更短。

2、晶体管的理论极限在哪里？

现在量产的最先进工艺是5纳米，你可能觉得，距离0.2纳米还有25倍，我们距离极限还挺远的，干嘛急着讨论摩尔定律终点的问题呢？

别高兴得太早，在沟道长度缩小到0.2纳米之前，还有一系列别的限制，下面我给你介绍两个物理定律级别的限制：一个是热力学限制，另一个是量子力学限制。

先说热力学限制，简单来说，就是芯片工作温度的影响。

我们可以把半导体材料中每一个硅原子想象成一个人，他们站成一个队列，就像我们军训时站那个方阵，两两之间有一定的距离。

硅原子都比较大，就像一个成人，电子比较小，就好像一个幼儿园的小朋友，晶体管工作时电子在沟道中流过，就好像小朋友要从这个成人阵列的一端，经过缝隙穿到另一端。

如果芯片放在绝对零度下工作，那些站方阵的人就像我们的解放军战士，他们可以站得笔挺一动不动，你想小朋友们是不是就很容易沿着队列缝隙，快速跑过去？也就是说，如果芯片在绝对零度下工作，就算每次只有一个电子流过去，晶体管也能准确地工作。

但是，芯片真实的工作环境不是这么完美，也就是说这群站队列的人不是解放军，而是一帮普通人，每个人大概有这么一个位置，但都不老实，就在那儿晃来晃去的。这回小朋友跑的时候可能会被这些晃晃悠悠的成人撞到，就跑不快了，甚至跑丢了没能到对面终点。

早期800纳米、600纳米这种大尺寸晶体管，它的传输电流比较大，流通的电子很多，就不容易出错。这就相当于是有好多好多小朋友一起跑，被撞到也没关系，终究有一定的比例跑过去吧。

可是当沟道长度不断缩短，每次只有几百个、甚至几十个电子跑过去，芯片工作温度引起的一点点噪声就可能让芯片出错。所以芯片的工作温度给晶体管尺寸设置了一个热力学极限，有这么一个阈值，这个阈值跟工作温度相关。

再来说另一个限制，就是量子力学限制。

当沟道缩小到很短，量子效应就开始出现了，现在7纳米、5纳米的器件就得考虑量子力学的影响了。

量子力学极限是什么呢？就是量子隧穿带来的不确定性，在纳米尺度的晶体管里，如果说两座“地铁站”之间的距离非常小，即使晶体管是关闭状态，两座“地铁站”之间没有沟道，电子也可能隧穿过去，就像穿墙术一样。

而且，两座“地铁站”距离越近，穿过去的可能性就越大，近到一定程度，有没有沟道几乎就没区别了，晶体管起不到开关的作用，当然就失效了。

到这里小结一下，虽然理论上晶体管极限是一个硅原子直径，但热力学极限和量子力学极限设定的阈值都比这个直径要大，也就是说，沟道还没缩小到0.2纳米这个终极极限，热力学和量子力学极限已经把器件尺寸给卡死了。

研究表明，硅晶体管的极限尺寸在1纳米左右，这就是单个晶体管器件的理论极限。

请注意，我说的是1纳米是单个器件的理论极限，真正量产的话还会有很多的工程技术困难。现在量产的最先进工艺是台积电的5纳米晶体管，两三年后很有希望实现3纳米器件的量产。但再之后能不能量产2纳米甚至1纳米的晶体管，现在并不敢太乐观。

3、集成还会带来更多限制

而且刚才说的只是晶体管的“单兵”极限，每颗芯片都是由大量晶体管集成起来的“军队”，这么多晶体管集成到一起的时候，就有更多问题需要考虑。

比如说，集成密度、时钟频率、电源电压、布线层数等等，每个参数都会限制芯片整体的性能。

不过有一个系统限制理解芯片技术的发展趋势非常重要，在这里必须给介绍清楚，就是功耗。

你可能觉得，功耗怎么会是个问题呢？不就是费点电吗？可没那么简单，如果芯片的功耗太大，也就是说热量产生得太快了，又不能及时把热量散出去，那热量就会聚集，芯片的工作温度会急剧上升，芯片就会越来越慢，甚至失效。这也是为什么计算机的风扇如果坏了，就会蓝屏死机的原因。

写这篇稿子的计算机里面是一颗Inteli7处理器，它的功率密度大概是50W/cm²。对这个数字可能没什么概念，家用电熨斗的功率密度只有5W/cm²，比这颗处理器芯片要小10倍。敢拿手去摸电熨斗吗？肯定会被烫伤吧，可芯片比电熨斗还要烫10倍。

这还是PC的处理器芯片，一些领域的专业芯片功率密度最高甚至达到了380W/cm²，要知道，火箭喷嘴那里也不过是600W/cm²。

所以，现在的芯片使用时一定要配有非常可靠的散热系统，电脑里面一般是用风扇来散热，甚至对于强劲的CPU芯片要有更高级的水冷系统才能保持正常工作，否则根本就没法运行。

对于大规模的服务器机房，空调制冷的用电量接近甚至已经超过了计算机本身的耗电量。手机芯片里面低功耗更是最核心的技术要求，所以手机芯片必须要使用最先进的工艺节点来制作，才能保证性能高、功耗低。

所以说功耗是所有芯片都要面对的严峻问题。

4、本篇总结

总结一下这一讲，我们讨论了芯片性能的极限，关键就是看晶体管的沟道尺寸。

从理论上讲，光看单个器件，这个极限尺寸就是1纳米。不过当几十亿、几百亿个晶体管集成到一块，还有像发热、连线等等，更多限制因素需要考虑。

这是不是告诉我们，摩尔定律的确要失效了，芯片技术的发展马上就到天花板了呢？当然不是。你有没有注意到，我们刚才讨论的极限，其实都有一个大前提，就是“硅晶体管芯片”，这意味着什么呢？

重大突破 多值逻辑晶体管诞生 芯片处理速度将产生质的飞跃

随着 科技 技术和现代工艺的蓬勃发展，计算机产品和其他电子设备在过去的几十年里发生了翻天覆地的变化，功能不断提升的同时，越来越小型化。

电子芯片制造商已经学会了在有限的芯片面积上不断的缩小单个晶体管的尺寸，也就是缩小那些传递数字信息的微型电子开关的尺寸。

科学家们对最小晶体管的追求使得更多的晶体管能被封装在单个芯片上，但这场不断寻求极限的竞赛很快就要结束了：研究人员正在迅速接近晶体管尺寸的物理最小值，目前最小的模型已经降到了10nm左右，这个尺寸仅仅相当于30个原子的宽度。

德克萨斯大学达拉斯分校材料科学与工程赵教授赵介绍说：电子设备的处理能力来自于数亿或数十亿的晶体管，它们在一块芯片上相互连接，我们正在迅速接近它的下限。

为了实现对芯片处理速度的不断追求，微电子工业正在寻找可能的替代技术。

根据最近的媒体报道，赵教授的团队正在试图通过扩展晶体管的词汇量来提供解决方案。

如果你对以前课本中的知识还有印象，你一定会记得传统的晶体管只能传递两个信息值，开或者关，也就是我们在二进制语言中常说的1和0。

在不增加晶体管数量的情况下增加芯片的处理能力的一种方法，是通过在开关器件的开关状态之间再引入中间态来增加每个晶体管能传递的信息量。

基于这一构思的所谓多值逻辑晶体管将允许在单个设备中处理更多的操作和更多的信息。

赵教授介绍说，多值逻辑晶体管的概念并不新鲜，之前已经有许多尝试来制造这样的器件，很高兴，现在我们做到了。

通过理论，设计和模拟，研究团队在德州大学达拉斯分校开发出了一种基于氧化锌的多值逻辑晶体管的物理原型，并评估了原型装置的性能。

新型的多值逻辑晶体管能够在0到1之间实现两种稳定可靠的中间状态，使每个晶体管所能表达的逻辑值从2个增加到3个或4个。

研究人员认为，这项新的研究具有重要意义，不仅因为这项技术与现有的计算机芯片配置兼容，而且还因为它可以弥合当今计算机与量子计算机之间的差距，量子计算机是计算能力的下一个潜在里程碑。

传统计算机使用精确的1和0值进行计算，但量子计算机的基本逻辑单元更具流动性，其值可以同时或在 其间的 任何位置以1和0的组合形式存在。

尽管大规模量子计算机尚未在商业上实现，但理论上说，它们能够存储更多的信息，并比当前的计算机更快地解决某些问题。

一个设备如果包含多级逻辑，它的处理速度必然比传统的计算机更快，因为它将操作的不仅仅是二进制逻辑单元。

对于量子单位，你有连续的值。

晶体管是一项非常成熟的技术，量子计算机离商业化还有很远的距离。

其间 有一个必须面对的问题，我们如何从一个走向另一个呢？我们需要某种进化途径，一种二元和无限自由度之间的桥梁技术。

我们的工作仍然基于现有的设备技术，因此它没有量子计算那么具有革命性，但它正在朝着这个方向发展。

赵教授和他的团队开发的技术使用了两种形式的氧化锌的新结构，结合在一起形成一个复合纳米层，然后与超晶格中的其他材料层结合在一起。

他们发现，可以通过将被称为量子点的氧化锌晶体嵌入到无定形氧化锌中，从而实现多值逻辑所需的物理学实例。

构成非晶态固体的原子不像它们在晶体固体中那样有序。

通过对这种材料进行工程设计，研究人员发现可以创造一种新的电子结构，使这种多层次的逻辑行为成为可能。

氧化锌是一种普通常见材料，它往往同时形成晶态固体和非晶态固体，所以它对于研究人员来说是一个不错的选择，但它可能还不是最好的材料。

研究团队计划下一步在优化这项技术时，观察这种行为在其他材料中的普遍性。

目前，这项研究已经得到了韩国国家研究基金会的支持。