芯片破壁者（七）：繞過經(jīng)典計(jì)算的墻與路

原標(biāo)題：芯片破壁者（七）：繞過經(jīng)典計(jì)算的墻與路

此前的系列文章中，我們都在回顧半導(dǎo)體歷史上的技術(shù)突圍與跨越。現(xiàn)在讓我們調(diào)轉(zhuǎn)一下目光，望向同樣波譎云詭的未來。

從半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，到晶體管材料的博弈、大規(guī)模集成電路走向產(chǎn)業(yè)化，可以發(fā)現(xiàn)從人類告別繼電計(jì)算機(jī)，跨入電子計(jì)算機(jī)開始，七十多年來芯片技術(shù)的每一次進(jìn)步都充斥著偶然性，甚至是市場零和博弈的結(jié)果。如果不使用A技術(shù)，B技術(shù)是否更好？可能很多時(shí)候，答案會(huì)永遠(yuǎn)封存在風(fēng)中。

那么問題隨之而來：既然今天的半導(dǎo)體規(guī)則充滿了偶然性，那么我們所熟知的通過電流實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通過晶體管操控電信號(hào)、通過二進(jìn)制實(shí)現(xiàn)比特計(jì)算的模式，可能根本就不是人類實(shí)現(xiàn)計(jì)算的最佳方案？至少不是計(jì)算的終極選擇？在整個(gè)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展史上，能不能“繞路”實(shí)現(xiàn)性能更好的計(jì)算始終都是擺在桌面上的話題之一。在中美科技博弈的背景下，這個(gè)話題異常重要。

希望“繞過經(jīng)典計(jì)算”，包含著兩方面的動(dòng)機(jī)。首先摩爾定律極限的不斷逼近，讓產(chǎn)業(yè)界隱約看到了計(jì)算的天花板。隨著5nm芯片實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，3nm甚至2nm提上日程，摩爾定律的物理瓶頸顯然已經(jīng)不遠(yuǎn)。讓習(xí)慣了高速運(yùn)轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體工業(yè)慢下來甚至停下來，其后果非?？膳?。

另一方面，經(jīng)典計(jì)算伴隨著七十年的技術(shù)固化與全球產(chǎn)業(yè)鏈分配，已經(jīng)客觀成為了一種國家與地區(qū)之間的鉗制手段。甚至半導(dǎo)體被認(rèn)為和金融、軍事一道，組成了美國與西方國家制約全球的三大利器。在中美貿(mào)易摩擦中，半導(dǎo)體底層技術(shù)很快成為了競爭焦點(diǎn)，也就是廣為人知的所謂“卡脖子”。那么如果我們找到了一種方案，可以繞過經(jīng)典計(jì)算，讓全球回歸同一起跑線，那么半導(dǎo)體這道枷鎖豈不是瞬間歸零？這種可能性，讓“新計(jì)算”成為全球新一輪科技競爭中至關(guān)重要的戰(zhàn)略因素。

讓我們來看一看：繞過經(jīng)典計(jì)算都有哪些路，而路的盡頭又會(huì)不會(huì)只是幾堵墻？

要計(jì)算，于是有了光

經(jīng)典計(jì)算的核心，是用半導(dǎo)體元件完成的電子計(jì)算。而有一種自然介質(zhì)，具有比電更好的信息通過效率，那就是光。

早在上世紀(jì)六十年代，用光的折射來表示信息，從而代替晶體管和電子計(jì)算就成為了一種學(xué)術(shù)構(gòu)想。1969年，麻省理工學(xué)院開始了光子計(jì)算機(jī)研究課題。而直到1990年，著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室造出了結(jié)合棱鏡、透鏡和激光器等元器件的全球首臺(tái)光子計(jì)算機(jī)，才宣告光子計(jì)算走入了產(chǎn)業(yè)化階段。

主流的光計(jì)算實(shí)現(xiàn)方案，是利用光的衍射和傅立葉變換原理來實(shí)現(xiàn)計(jì)算。在產(chǎn)業(yè)中傾向于依靠反射鏡、透鏡等元器件，改變激光的射入射出，從而實(shí)現(xiàn)不同的信息表達(dá)，完成用光子代替電子來實(shí)現(xiàn)計(jì)算。如果這個(gè)改變得已完成，計(jì)算產(chǎn)業(yè)需要的將不是高度精密的集成電路，而是以各種光導(dǎo)纖維、光學(xué)元件組成的集成光路。而光相比于電子來說，有兩個(gè)計(jì)算領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢，一個(gè)是基于光傳遞可以更高速處理并行計(jì)算，再就是光計(jì)算將節(jié)省大量電能。

然而與經(jīng)典計(jì)算相比，光計(jì)算也有著堪稱“致命”的若干問題。比如說光的背景噪音非常復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)純度較高的光波過濾，這也讓光計(jì)算難以執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。另一方面，把光學(xué)器件打造成集成光路，還面臨著一系列的工程障礙。光學(xué)器件的微型化、工程耐受度、抗損失性，都缺乏有效的實(shí)踐方案。換言之，光計(jì)算雖然經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，但依舊處在“未來科技”的分組里，和腦機(jī)接口、基因存儲(chǔ)等技術(shù)的地位類似。

雖然國內(nèi)外已經(jīng)有了一些光計(jì)算相關(guān)的企業(yè)，但這些公司的業(yè)務(wù)更多集中在對(duì)電子芯片的工藝改進(jìn)，以及光學(xué)元器件的市場化上，距離真正意義上的光計(jì)算還有遙遠(yuǎn)的路程。相對(duì)來說，聽上去更“玄虛”的量子計(jì)算，反而距離我們的生活更加接近。

似近還遠(yuǎn)的量子霸權(quán)

如今，“遇事不決，量子力學(xué)”已經(jīng)成為了一句調(diào)侃。其起源似乎是很多文學(xué)影視作品里，一旦拋出一個(gè)很厲害又不好解釋的技術(shù)，就冠以“量子XXX”，乃至社會(huì)中出現(xiàn)了“量子速讀”“量子鑒寶”等奇怪的東西。

但是嘗試將物質(zhì)拆解到最小狀態(tài)的量子，與計(jì)算產(chǎn)業(yè)的結(jié)合卻并不是什么“玄秘”之事。量子計(jì)算經(jīng)歷了四十年的發(fā)展，已經(jīng)成長為各科技大國、主流科技公司都在布局與大規(guī)模投入的技術(shù)類別。

在1982年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、量子力學(xué)之父理查德·費(fèi)曼，就在與物理學(xué)家保羅·貝尼奧夫的一系列學(xué)術(shù)探討中，共同肯定了利用量子糾纏態(tài)進(jìn)行計(jì)算的可能。隨后，保羅·貝尼奧夫正式提出了“量子計(jì)算”概念。

（理查德·費(fèi)曼）

所謂量子計(jì)算，主要是指利用量子的態(tài)疊加原理與量子相干原理完成的計(jì)算。計(jì)算過程中，粒子在進(jìn)入量子狀態(tài)后，能夠用“超態(tài)”的上下兩個(gè)方向的量子自旋來表示數(shù)值，從而完成計(jì)算任務(wù)。與經(jīng)典計(jì)算相比，量子計(jì)算的最大特點(diǎn)是它能夠進(jìn)行強(qiáng)大的并行計(jì)算，根據(jù)理論設(shè)想，由幾百個(gè)量子比特構(gòu)成的量子計(jì)算機(jī)，可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)十億次運(yùn)算。其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了今天人類計(jì)算能力的極限。

良好的產(chǎn)業(yè)愿景，以及摩爾定律極限的逼近，讓各個(gè)國家與科技公司紛紛投入到量子計(jì)算的開發(fā)競賽中來。而這次科技競走的核心指標(biāo)，就是誰能率先實(shí)現(xiàn)所謂“量子霸權(quán)”，即用所開發(fā)的量子計(jì)算系統(tǒng)，超越目前人類最好的算力設(shè)備。產(chǎn)學(xué)各界普遍認(rèn)為，“量子霸權(quán)”的開啟，將意味著量子計(jì)算時(shí)代真正到來。

為此，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)史上那些重要公司紛紛加入了這場游戲。最早開發(fā)出量子計(jì)算機(jī)的，是一家專注于量子領(lǐng)域，名為D-Wave 的公司。他們?cè)?011年推出了128比特的 D-Wave One 系統(tǒng)，被廣泛認(rèn)為是世界上第一個(gè)商品化的量子計(jì)算機(jī)。但它所使用的量子退火技術(shù)，實(shí)質(zhì)上缺乏產(chǎn)業(yè)實(shí)踐價(jià)值，更多是提供給科研機(jī)構(gòu)的研究用品。

從2017年開始，新一輪量子霸權(quán)競賽拉開了帷幕。這一年3月IBM 公布消息稱，已經(jīng)研發(fā)出了“支持50 個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)”。幾個(gè)月之后，IBM的老對(duì)手英特爾宣布量產(chǎn)了 49 量子比特的計(jì)算芯片。到2018年3月，谷歌公布了名為Bristlecone的芯片，并宣稱這款芯片可以支持72個(gè)量子比特的計(jì)算。谷歌相關(guān)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人John Martinis在當(dāng)時(shí)提出，Bristlecone已經(jīng)可以支持超越所有經(jīng)典計(jì)算的量子計(jì)算，并認(rèn)為年內(nèi)就會(huì)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

（谷歌Bristlecone量子芯片）

然而從2019年到今天，雖然我們可以看到谷歌、IBM等公司陸續(xù)公布各種量子計(jì)算的計(jì)算機(jī)、編程框架，以及軟件庫，但毫無爭議的量子霸權(quán)依舊沒有實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，在谷歌的一些實(shí)驗(yàn)中，我們可以看到量子計(jì)算在一些特定任務(wù)上計(jì)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過超級(jí)計(jì)算機(jī)，但在絕大多數(shù)任務(wù)中量子計(jì)算依舊不堪負(fù)用。

除了通用計(jì)算能力的欠缺外，量子計(jì)算的穩(wěn)定控制也是制約其商業(yè)化的關(guān)鍵因素。量子計(jì)算中，雖然量子比特?cái)?shù)的增加是計(jì)算能力的核心，但更重要的是要對(duì)量子糾纏實(shí)現(xiàn)足夠長時(shí)間且狀態(tài)穩(wěn)定的控制。量子計(jì)算是極其不穩(wěn)定的，任何干擾都會(huì)造成巨大的噪音。這就讓量子糾偏變得非常重要。而且由于干擾噪音的影響，量子計(jì)算機(jī)要建立在絕對(duì)零度的低溫環(huán)境中，這也給商業(yè)化帶來了巨大的限制。

盡管如此，量子計(jì)算依舊可以被視作革新計(jì)算產(chǎn)業(yè)可能性最大的技術(shù)。在國內(nèi)，科技巨頭們也紛紛投入量子計(jì)算布局，阿里的量子電路模擬器“太章”，華為的量子計(jì)算軟件云平臺(tái)HiQ、百度的量子機(jī)器學(xué)習(xí)開源框架量槳，都具有鮮明的產(chǎn)業(yè)特色與技術(shù)創(chuàng)新能力。而更為大眾所知的，是中國于2016年發(fā)射了“墨子”量子衛(wèi)星。其背后的中國量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士及團(tuán)隊(duì)，屢屢讓人們看到中國在量子計(jì)算領(lǐng)域的突破。

雖然從國家戰(zhàn)略到產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成、人才培育，我們可以看到中國在量子計(jì)算領(lǐng)域取得了顯著成果。但要客觀看到在核心的量子計(jì)算硬件層面，中國量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)還與全球幾大科技公司擁有著相當(dāng)長的距離。而即使是谷歌、IBM，D-wave，他們所展示的量子計(jì)算創(chuàng)新也還集中在實(shí)驗(yàn)室層面，距離商用還有遙遠(yuǎn)的距離。

目前的全球量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)，隨時(shí)可能有冒出令人振奮的消息，隨時(shí)可能激發(fā)產(chǎn)業(yè)和資本的狂歡，但更可能很快歸于平靜。潮漲潮退之后，量子計(jì)算很大概率可以走出一個(gè)未來。而重點(diǎn)是，到那時(shí)中國計(jì)算產(chǎn)業(yè)會(huì)站在怎樣的位置。

新材料的可能性

關(guān)于計(jì)算創(chuàng)新，還有另一條相對(duì)被看好的路線：用新材料取代硅基材料制作晶圓。

這個(gè)思路的出發(fā)點(diǎn)在于，硅作為計(jì)算材料的發(fā)現(xiàn)有著相當(dāng)大的偶然性，那么或許還存在其他自然或人工材料，可以通過材料代替來打破摩爾定律的極限。硅的一大特點(diǎn)就是散熱性不強(qiáng)，功耗相對(duì)較大，新半導(dǎo)體材料也被認(rèn)為是解決計(jì)算能耗問題的根本方案之一。

在眾多新半導(dǎo)體材料中，石墨烯是目前最受關(guān)注的一種。自從2004年英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃消洛夫，從高定向熱解石墨中剝離出石墨烯，這種材料的多方面價(jià)值就受到了廣泛關(guān)注。作為半導(dǎo)體材料，石墨烯的特點(diǎn)是導(dǎo)電性極好，而且在理論上可以做到比硅晶圓更小，從而增強(qiáng)芯片的能效。而石墨烯最大的特點(diǎn)是產(chǎn)熱很少，并且有著良好的導(dǎo)熱性，被廣泛應(yīng)用在散熱領(lǐng)域。這也是半導(dǎo)體材料急需的關(guān)鍵特性。

但問題是，目前高純度的石墨烯提取還非常復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。并且石墨烯本身非常脆弱，很難實(shí)現(xiàn)以其為材料的晶圓制造。在已經(jīng)有的產(chǎn)業(yè)嘗試中，良品率始終不盡如人意?；蛟S只有適配石墨烯的半導(dǎo)體工藝與輔助材料工藝都得到大規(guī)模發(fā)展，石墨烯芯片才有真正的產(chǎn)業(yè)價(jià)值。

近幾年，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開始逐漸認(rèn)為碳基材料取代硅基材料是延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵。為此，眾多科研機(jī)構(gòu)開始沿著碳基的方向?qū)ふ野雽?dǎo)體新材料。也有一些實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，新的無機(jī)化合物是解決芯片材料的關(guān)鍵。另一方面，在量子計(jì)算等新計(jì)算模式中，也必然需要與之相適配的芯片材料，這也讓計(jì)算材料的更新，擁有比延續(xù)摩爾定律更長遠(yuǎn)的價(jià)值。

芯片陷阱

總體而言，新的計(jì)算模式、計(jì)算材料來繞道經(jīng)典計(jì)算，在今天的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)實(shí)中處在“有希望，但機(jī)會(huì)渺?！钡男螒B(tài)里。并且很容易發(fā)現(xiàn)，西方世界扎實(shí)的基礎(chǔ)科學(xué)研究，讓材料學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)等基礎(chǔ)創(chuàng)新，以及相關(guān)人才培養(yǎng)依舊主要發(fā)生于歐美、日韓等發(fā)達(dá)國家。作為計(jì)算產(chǎn)業(yè)的后起之秀，彌補(bǔ)經(jīng)典計(jì)算七十年的天塹已經(jīng)非常困難，想要追趕基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的差距更是難上加難。

但是半導(dǎo)體與計(jì)算機(jī)的歷史上，從來沒有哪次創(chuàng)新和突破是容易的，恰恰也只有艱難的追趕才能筑起獨(dú)屬的壁壘。而在中國發(fā)展量子計(jì)算等新計(jì)算領(lǐng)域的過程中，我們會(huì)很容易在社交媒體上注意到這樣一種聲音：“不要發(fā)展這些，這都是美國的科技競賽陷阱。做到最后只會(huì)勞民傷財(cái)。”

這種說法有道理嗎？客觀來看，科技競賽變成科技陷阱的情況在歷史上不乏例證。比如上世紀(jì)40年代，蘇聯(lián)與美國都在大力發(fā)展電子管計(jì)算機(jī)。而后美國產(chǎn)業(yè)鏈一舉切換到了晶體管賽道，延續(xù)電子管發(fā)展模式的蘇聯(lián)吃了一個(gè)大虧；再有上世紀(jì)70-80年代，日本和美國共同發(fā)展新一代計(jì)算機(jī)和專家系統(tǒng)，日本提出了著名的“第五代計(jì)算機(jī)計(jì)劃”。而后來美國產(chǎn)業(yè)鏈反而走向了微型機(jī)和家用電腦，舉國之力發(fā)展的“第五代計(jì)算機(jī)”成為了日本經(jīng)濟(jì)泡沫破裂的誘因之一。

如果說，我們不需要擔(dān)心繞路途中的“芯片陷阱”，那其實(shí)是一種無視歷史的盲目樂觀。但在謹(jǐn)慎之余，也絕不能陷入因噎廢食的過度保守。從蘇聯(lián)到日本，我們可以發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體陷阱往往伴隨著少數(shù)人的決策和缺乏產(chǎn)業(yè)競爭的培育環(huán)境。比如說蘇聯(lián)的計(jì)算工程始終面向備戰(zhàn)，缺乏學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界與決策層的有效溝通；而日本的“第五代計(jì)算機(jī)”項(xiàng)目耗費(fèi)了過長的開發(fā)成本與開發(fā)時(shí)間。在一種舉國狂歡的真空氛圍里，缺乏項(xiàng)目周圍的商業(yè)競爭與產(chǎn)業(yè)檢驗(yàn)。而美國在兩次競賽中的成功，都不是政府機(jī)構(gòu)設(shè)置了陰謀。而是科學(xué)家的技術(shù)突破，或者某個(gè)公司在純市場行為中的創(chuàng)新，自然淘汰了不合理的產(chǎn)業(yè)路線。

因此來看，想要在創(chuàng)新與探索之路上避開“芯片陷阱”，需要讓計(jì)算產(chǎn)業(yè)在三個(gè)環(huán)境因素的輔助下發(fā)展：

1、有效的全球化溝通與協(xié)作機(jī)制，避免產(chǎn)業(yè)鏈割裂帶來方向性困局。

2、創(chuàng)造包容自由富有活力的科研環(huán)境，容許失敗，甚至允許浪費(fèi)和試錯(cuò)，允許天才式的創(chuàng)新。在半導(dǎo)體歷史上，往往一個(gè)天才的想法將顛覆一個(gè)時(shí)代。

3、用有效的商業(yè)競爭和開放的市場環(huán)境、開發(fā)生態(tài)來證明產(chǎn)業(yè)路線的生存活力，而不是用少數(shù)人的判斷來指導(dǎo)方向，避免陷入越走路越窄的惡性循環(huán)。

不久之前，美國共和黨參議員湯姆·科頓說了一句無比刷新三觀的話。他說：“中國留學(xué)生可以來學(xué)莎士比亞，他們不需要來美國學(xué)習(xí)量子計(jì)算和人工智能?！?/p>

面對(duì)這種態(tài)度，與其敲擊鍵盤罵回去，不如好好把量子計(jì)算學(xué)個(gè)明白?？傊€是加油吧，那些山之彼岸，海之盡頭的新計(jì)算之路，即使走到最后都是墻，也希望讓我們自己去觸摸一下墻的質(zhì)感。墻撞多了，可能就找到路了。

為了有一天，我們能歡迎美國學(xué)生來中國學(xué)習(xí)莎士比亞和量子計(jì)算。

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