CPU制造工艺展望

物理学与人类文明——畅想未来CPU制造工艺指导老师：戴长建班级：网络工程一班姓名：温志怀学号：20135916序号：145谁都有终点，PC也一样也许您正酣战于德拉诺大陆，也许您正在用office处理日常工作，无论您正在用电脑做着什么，当某个不经意的瞬间瞥见机箱里合着轻轻的嗡嗡声工作的CPU/显卡的时候，您有没有考虑过这样的问题——我们的PC会不会在哪天走到尽头呢？目前主流的CPUNehalem/Westmere32nmSandyBridge32nmIvyBridge22nmHaswell22nmBroadwell14nm1nm之下就是命运•YourSubtopicsGoHere线宽低于1nm时•1nm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。半导体工艺的光锥和视界1nm工艺就是当前半导体工艺的光锥和视界，现在没有人知道1nm之后的半导体工业会发生什么，所以1nm就是当前技术环境下PC以及电子计算机的“命运”，无论CPU、显卡、内存还是硬盘都无法回避。1nm工艺距离现在还有多少时间呢？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。多年后的电子计算机一、量子计算机二、光子计算机三、DNA计算机量子计算机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。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。量子计算机的优点•一种能够让粒子隔空瞬移的魔法•对于AI、大数据高效检索以及图像识别等领域有重要意义量子计算机的缺点一、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。二、量子计算的民用化也存在相当现实的障碍。光子计算机光子/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。光子计算机的优点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。光子计算机的缺点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。DNA计算机——最后的希望？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。优点基于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。骨感的现实绝大部分所谓的DNA计算模型都还只是试管里或者显微玻片上的一抹溶液。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。人工智能？还是生命体？•DNA本来就是生命的基础，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。电子计算机真的要终结了么？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，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。总结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。无论是量子计算机、光子计算机还是DNA计算机，从现在来看，都不能完全解决电子计算机的制造工艺的极限。展望——人类智慧回望历史，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，人类跨入了电气的第二次工业革命。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！