我們生活在一個由計算機電路驅動的世界。現代生活依賴於半導體晶片和矽基積體電路上的電晶體，它們可以開關電子訊號。大多數電晶體使用豐富而廉價的矽元素，因為它既可以阻止也可以允許電流流動，它既是絕緣體又是半導體。

直到最近，擠壓在矽晶片上的微型電晶體每年的體積都縮小一半。它造就了現代數字時代，但這個時代即將結束。隨著物聯網、人工智慧、機器人技術、自動駕駛汽車、5G和6G手機這些計算密集型工作的問世，科技的未來岌岌可危。那麼接下來會發生什麼呢?

什麼是摩爾定律？

摩爾定律是計算能力的指數增長。早在1965年，英特爾聯合創始人戈登·摩爾就觀察到，一英寸計算機晶片上的電晶體數量每年翻一番，而成本則減半。現在，這個時間是18個月，而且越來越長。事實上，摩爾定律不是定律，只是一個為晶片製造商工作的人的觀察結果，但增長的時間意味著未來的密集計算應用可能受到威脅。

摩爾定律已死？

沒有，但是速度太慢了，矽晶片需要幫助。英國半導體應用公司Catapult的執行長Stephen Doran說：“在越來越多的需要提高速度、減少延遲和光檢測的應用中，矽正在達到其效能的極限。”然而，他認為現在談論矽的替代物還為時過早。他補充稱：“這意味著矽將被完全取代，這在短期內不太可能發生，很可能永遠不會發生。”

計算機的第二個時代即將到來

仔細研究矽電晶體問題非常重要；作為一個概念，它並沒有“死亡”，但是它已經超過了它的頂峰。Rambus記憶體和介面部門首席科學家Craig Hampel表示：“摩爾定律專門指的是由半導體制造的積體電路的效能，而且只記錄了過去50多年的計算。”

這場超越矽的競賽正在進行

“人類對計算需求的增長趨勢可追溯到算盤、機械計算器和真空管，並可能遠遠超出半導體（如矽），包括超導體和量子力學。”

超越矽是一個問題，因為未來的計算裝置將需要更加強大和靈活。Harold說：“日益增加的計算問題是，未來的系統將需要學習和適應新的資訊。它們必須‘像大腦一樣’。再加上晶片製造技術的轉型，它們將為計算創造革命性的第二個時代。”

什麼是冷計算？

一些研究人員正在研究用更少的能量獲得高效能計算機的新方法。“資料中心或超級計算機的冷執行可以帶來顯著的效能、功耗和成本優勢。”Hampel說。

微軟的Natick專案就是一個例子，作為該專案的一部分，一個巨大的資料中心沉入了蘇格蘭奧克尼群島海岸，但這只是一小步。進一步降低溫度意味著漏電流更少，電晶體開關的閾值電壓更低。

作為Natick專案的一部分，微軟在大西洋沉入了一個數據中心。

Hampel說：“它減少了延伸摩爾定律的一些挑戰。”他補充說，對於這些型別的系統來說，自然的操作溫度是77K（-270℃）的液氮。“大氣中含有豐富的氮，以液態形式收集相對便宜，而且是一種有效的冷卻介質。我們希望，在記憶體效能和功耗方面，或許能再延長4~10年的時間。”

什麼是化合物半導體？

下一代半導體由兩種或兩種以上的元素組成，這些元素的特性使它們比矽更快、效率更高。這是“機會”，它們已經在使用，並將有助於建立5G和6G手機。

Doran說：“化合物半導體結合了元素週期表中的兩種或多種元素，例如鎵和氮，形成氮化鎵。”他解釋說，這些材料在速度、延遲、光檢測和發射等方面都優於矽，這將有助於實現5G和自動駕駛汽車等應用。

儘管它們可能與普通矽晶片一起使用，但化合物半導體將進入5G和6G手機，本質上使它們足夠快、足夠小，同時還具有良好的電池壽命。

Doran說：“化合物半導體的出現改變了遊戲規則，它有潛力帶來變革，就像網際網路變革通訊領域一樣。”這是因為，化合物半導體的速度可能比矽快100倍，因此可以為物聯網增長帶來的器件激增提供動力。

什麼是量子計算？

當你可以擁有量子世界的疊加和糾纏現象時，誰還需要經典計算機系統的開關狀態呢？IBM、谷歌、英特爾和其他公司都在競相使用量子位元（又稱“qubits”）來製造具有強大處理能力的量子計算機，其處理能力遠遠超過矽電晶體。

問題是，在實現量子計算的潛力之前，量子物理學家和計算機架構師要實現許多突破，有一個簡單的測試，量子計算界的一些人認為，在量子計算機問世之前，需要滿足他們的要求：“量子至上”。

Hampel表示：“這只是意味著，在摩爾定律的道路上，量子機器比傳統半導體處理器更擅長完成特定的任務。”到目前為止，實現這一目標仍然遙不可及。

英特爾在做什麼？

由於英特爾是製造矽電晶體的先驅，因此英特爾在矽基量子計算研究方面投入巨資也就不足為奇了。

英特爾銷售與營銷集團副Quattroporte兼英國區總經理Adrian Criddle表示：“除了投資擴大需要在極低溫度下儲存的超導量子位元外，英特爾還在研究一種替代方法。替代架構基於‘自旋量子位元’，在矽片中執行。”

自旋量子位元使用微波脈衝來控制矽基器件上單個電子的自旋，英特爾最近在其最新的“世界最小的量子晶片”上使用了自旋量子位元。至關重要的是，它使用矽和現有的商業製造方法。

Criddle解釋說：“自旋量子位元可以克服超導方法帶來的一些挑戰，因為它們的物理尺寸更小，更容易微縮，而且可以在更高的溫度下工作。更重要的是，自旋量子位元處理器的設計類似於傳統的矽電晶體技術。”

然而，英特爾的自旋量子位元系統仍然只能接近絕對零度；冷計算將與量子計算機的發展密切相關。與此同時，IBM有一個50位元的處理器Q，而谷歌量子AI實驗室有72位元的Bristlecone處理器。

石墨烯和碳奈米管怎麼樣？

這些所謂的神奇材料有朝一日可能會取代矽。Doran說：“它們現有的電氣、機械和熱學特性遠遠超出了矽基器件所能達到的水平。”然而他警告說，可能需要很多年才能準備好迎接黃金時代。

他說：“矽基器件經過了幾十年的改進，並隨著相關製造技術的發展而發展。石墨烯和碳奈米管仍處於這一旅程的起點，如果它們要在未來取代矽，實現這一目標所需的製造工具仍然需要開發。”

無論其他材料的前景如何，我們現在正處於原子時代。Harold說：“每個人都在考慮原子。我們的進展現在已經到了單個原子計數的階段，甚至儲存正在尋找在原子水平上工作的方法——IBM已經展示了在單個原子上儲存資料的可能途徑。”今天，建立1或0，即用來儲存資料的二進位制數字，需要10萬個原子。

然而，這裡有一個問題。Harold補充說：“作為儲存或傳輸資訊的手段，原子本質上不太穩定，這意味著需要更多的邏輯來糾正錯誤。”因此，未來的計算機系統很可能是各種技術的疊加，每一種技術都是為了彌補另一種技術的缺點。

因此，沒有哪個答案可以將矽的壽命延長到下一個計算時代。化合物半導體、量子計算和冷計算都有可能在研發中發揮重要作用。計算機的未來很可能會出現機器的層級結構，但到目前為止，沒有人知道明天的計算機會是什麼樣子。

Hampel表示：“雖然摩爾定律將會終結，但指數計算能力的長期和持久趨勢很可能不會終結。”

晶片一般是指積體電路的載體，因此，廣義上人們將晶片等同於積體電路。但積體電路除了晶片外，還包括儲存器等，只是在積體電路中，晶片是最重要的組成部分。而從細分產業角度來看，晶片業包括設計、製造和封測三個主要環節。晶片被喻為“工業糧食”，其伴隨著科技的發展已變得無處不在，且無所不能。小到身份證、銀行卡，大到手機、電腦、電視，甚至在飛機、軍艦、衛星等系統中，都安置著大小不同和功能各異的晶片。不難明白，晶片事關國家經濟、軍事、科技，以及居民財產安全，因此各國政府無不將其置於國家戰略的位置。

中國晶片中國產化迫切

作為電子產品的心臟，晶片承擔著運算和儲存的功能，因此被譽為國家的“工業糧食”。然而，儘管中國雖已是製造大國，但晶片卻需要長期進口。資料顯示，中國一年製造11.8億部手機、3.5億臺計算機、1.3億臺彩電，牢牢佔據世界第一，中國也由此成為全球最大的晶片需求市場，每年消耗全球54%的晶片，但中國產晶片自給率則不足三成，市場份額不到10%。這也就是說，中國“芯”90%以上依賴進口，其中2016年前10個月進口晶片花費1.2萬億元人民幣，為原油進口支出的兩倍，超過鐵礦石、鋼、銅和糧食這四大戰略物資的進口費用之和。業界認為，當下中國晶片產業面臨重要視窗期，晶片中國產化迫切，應充分抓住有利機遇，擺脫對國外晶片的依賴，大力提高晶片中國產化。

中國晶片業迎重要視窗期

從全球範圍看，中國正面臨加速發展中國產晶片業的重要視窗期。一方面，國際上半導體產業已趨於成熟，國際資本介入半導體產業的腳步顯著放緩，全球晶片市場近兩年持續萎縮，唯有中國區域市場例外;另一方面，摩爾定律放緩，但製造工藝還在前行，且投資不斷加大，這正好符合中國半導體產業投資併購的急切需求。從國內環境分析，除了沉澱出來的PC以及完整的供應鏈市場外，智慧手機也在加速洗牌，機型也處於不斷升級的過程之中。同時，智慧家居、智慧汽車、智慧機器人、虛擬現實等已處在暴發的前夜，還有接踵而至的5G、萬物聯網、人工智慧、區塊鏈等新業態，無不形成了對晶片的超大需求。

支撐中國產晶片發展因素

據國際知名專利檢索公司QUESTEL的最新報告，過去18年，全球晶片專利數量增長了6倍，而中國晶片專利量則增長了23倍，以晶片專利申請數量論，中國已躍居世界第一大國，並連續5年蟬聯全球第一。在政策層面，除設立了總規模近1400億的國家積體電路產業投資基金外，上海，武漢、合肥、長沙、珠海、杭州、無錫等地相繼跟進成立了地方性產業投資基金。據國際半導體裝置與材料協會預測報告，2016至2017年間，全球確定新建的晶圓廠有19座，中國佔了10座。

中國產晶片差距

業內專家認為，近些年，國家加大了對積體電路的製造、設計、工藝裝置和材料的投資力度，並透過併購等形成了一批力量，為國家晶片產業未來的發展打下了重要基礎。然而，目前中國產晶片的應用大多在消費類領域，而在對穩定性和可靠性要求相對更高的通訊、工業、醫療及軍事等領域，中國產晶片距離國際先進水平差距較大，尤其是一些技術含量很高的關鍵器件，比如高速光通訊介面、大規模FPGA、高速高精度ADC/DAC等，還完全依賴國外供應商。此外，中國晶片製造企業的規模普遍不大，生產承接能力較弱。對中國晶片企業而言，當下普遍面臨融資渠道缺乏、研發投入能力有限、持續創新能力較弱等制約因素。

未來發展規劃

作為全球最大的電子產品製造工廠及大眾消費市場，中國積體電路市場需求接近全球1/3，但積體電路產值不足全球7%。根據工信部發布的《2016年電子資訊製造業執行情況》，2016年電子器件行業生產積體電路1318億塊，同比大幅增長21.2%。中國積體電路進口額高達2271億美元，積體電路出口額為613.8億美元，貿易逆差1657億美元。

鑑於此，《國家積體電路產業發展推進綱要》指出，到2020年，中國半導體產業年增長率不低於20%;同時，《中國製造2025》也明確提出，2020年中國晶片自給率要達到40%，2025年要達到50%。而工信部制定的相關實施方案則提出了新的目標：力爭10年內實現70%晶片自主保障且部分達到國際領先水平。