以前的觀點普遍認為7nm是矽材料晶片的物理極限，摩爾定律終於是觸碰到了天花板。不過這兩年7奈米都已經投入生產了，5奈米工藝也在半導體工廠準備中。計劃可以在2020年面世。

矽材料晶片的物理極限是5奈米，如果超過5奈米這個界限就會發生“量子隧穿效應”的量子力學現象發生，一系列過程後最終讓電子失控導致電晶體無法關閉。電晶體無法關閉對晶片來說是什麼概念？

至於再高階的晶片製造工藝則是美國的勞倫斯伯克利國家實驗室宣佈採用碳奈米管複合材料可以將晶片製造工藝縮緊到1nm，這是打破了晶片5奈米物理極限？

打破晶片物理極限的1奈米工藝是兩種新採用的材料運用讓其變成有效事實。這兩種材料是二硫化鉬和碳奈米管。

1奈米工藝主要半導體材料從矽變成了二硫化鉬。不同於矽，流過二硫化鉬的電子變重，在閘電路長度在1奈米時也能對電晶體內的電流進行控制。

另一方面因為採用二硫化鉬做為半導體材料，但光刻技術還跟不上相應水平，所以實驗室團隊採用空心圓柱管直徑只有1奈米的碳奈米管。這種碳奈米管和二硫化鉬製成的柵極正好可以有效控制電子，避免“量子隧穿效應”發生。

目前1奈米工藝還在實驗室理論驗證的過程中。真要到1奈米大規模實際應用後轉到更小的製造工藝埃米上，估計我家娃都大學畢業了。嗯，今年我家娃上小學一年級。

在科學家那大容量腦洞中，還存在著另一種用於實現計算的晶片來代替矽晶片，這種晶片就是量子晶片，實現的計算方式正是量子計算。

量子計算是基於量子力學的規律進行調控量子資訊單元計算的計算模式。由於量子力學具有疊加特性，科學家普遍認為量子計算要快於傳統計算機。

事實上量子計算概念從上世紀80年代初期提出至今，世界各地的政府、科研機構對量子計算機的研究已經取得了很大的進展。也出現了使用量子特性技術的科技，比如中國用於量子科學實驗的衛星---墨子號。

科學家的腦洞自然不止於量子計算技術，現今科技界還存在一種另闢奇徑的計算方式，AI計算。

目前科技打造的AI晶片僅僅是進行一些輔助工作的超弱人工智慧晶片。按照AI等級劃分來看，AI晶片還得歷經弱再到強的過程。在AI晶片發展到一定程度的時候完全可以做到妹仔大過主人婆來替代傳統計算。具有強邏輯性和強分析性的高階AI晶片，其計算能力無需質疑也無可取代。

和原始人使用工具推動社會進化一樣。或許，當今人類未來科技的發展也離不開AI計算。

去年，臺積電董事長張忠謀應交大EMBA之邀，釋出演說的時候表示：2017年，臺積電製程已演進至10nm，2018年要量產7nm，5nm則將依序接後。3nm的發展時間基本上已經有一定的計劃了；更加可怕的是他表示2nm，強調再往2nm以下，難度相當高。還要再過幾年才能確定是否有2nm以下的可能。張忠謀是臺積電董事長，也是全球半導體行業頂級的大佬之一，他說話是很有分量的。

在我看來，如果低於2nm，或者是發現到1nm的話，很可能到了極限了。很可能大家不再需求更加低的nm等級了，而是找另外的材料。但是目前來說，還沒有比矽更好的、更加適應量產和使用的材料來做半導體。

如果低於2nm，那就是行業要有革命性的發明和理論改進，這才可能做到更精細了。

我是老郭，物理愛好者，物理系畢業。雖然不是科研工作者，但立志為科普貢獻一份力量。

沒有從事過相關的工作，但是大學時對晶片的加工技術非常感興趣，所以閱讀過大量的晶片設計和製造相關的論文。由於我是學物理的，所以腦洞可能是跟學晶片設計的小夥伴們不一樣，以下是我關於這個問題的幾點思考，僅供大家參考。

想說的內容有點多，所以先扔出我的答案吧：量子計算是取代數字計算的大殺器。

我們經常聽人說，某某東西已經達到了物理極限，就不能再改進了，其實，這樣的說法並不嚴謹。物理作為一門科學，它所做的工作其實就是透過對客觀事實的觀察和測量，利用數學工具對物質的運動規律進行定量描述，是人類對於物質世界的一種認識手段。客觀測量和實驗驗證是檢驗一個理論是否正確的唯一方法。所謂的物理極限，其實是對客觀規律的一種描述，那是一個事實。如果理論預言的結果與事實不符合，就需要去修正理論。所以我們說，客觀事實存在極限，而不是理論設定了極限。

我不知道我是不是最重視技術的人，但我一定是這些人之一。社會上，甚至是很多科研工作者都有一個錯誤的觀念，那就是，技術是理論的應用。其實完全不是這樣，在老郭看來，技術和科學二者應該並駕齊驅，相互促進，相互制約。技術決定了理論最終的表達方式，而理論決定了技術的最大能力範圍。打個比方，有了麥克斯韋方程組不等於就有了收音機和手機。收音機和手機都需要人類的技術能力去創造。有了廣義相對論，我們到現在也沒有做出來反重力裝置。這就是技術水平沒有跟上理論的發展水平。

我們很多人都以為現在的晶片技術已經達到甚至是接近理論極限了。其實並沒有，讓我們一起來回顧一下晶片工藝的發展歷程，看看技術是如何突破“物理極限”的。

現在的積體電路製造技術其核心就是光刻技術，這種方法跟照相類似，就是將掩模版上的圖形轉移到塗有光致抗蝕劑（或稱光刻膠）的矽片上。在實際工藝中，一個晶片的產生要經歷幾十次光刻才能完成，有些結構層甚至需要多次光刻才能形成。在這個發展階段，所謂的物理極限其實就是光的波長限制，所以科學家們所做的工作主要是不斷降低用於曝光的光線的波長。透過這種方法，不斷提高光刻解析度，解析度高了，同樣大小的矽晶圓上，可以生產更多的晶片。

隨著晶片器件尺寸不斷縮小，對工藝的要求越來越高，最大的瓶頸就是解析度的提高，而光刻機的發展逐漸跟不上節奏了，更小波長的光刻機難以製造，因此出現了一系列解析度增強技術，例如離軸照明、多級光源，光學臨近效應修正，移相掩模，光源掩模協同最佳化，多重曝光，自對準多重光刻技術等，這些技術的出現，將摩爾定律硬生生延續了下來，當然，也有人在研究光刻技術的替代技術，例如奈米壓印，DSA等。

隨著晶片尺寸的進一步縮小，新的“物理極限”出現了。這就是我們傳統計算機晶片的設計理念問題。我們都知道的，現在的電腦是基於數位電路0、1這樣的邏輯電路搭建起來的。而隨著晶片尺寸的減小，最小的PN接面也在不斷的減小。由於量子效應，PN接面不能形成之前的工作狀態，也就是說，不再表現出0和1這種狀態，量子效應成為了數字積體電路的攔路虎。

這怎麼辦呢？其實，需要的不是做新的PN結出來，因為PN接面已經無法再小了。科學家們做的工作是，發展下一代計算機技術：量子計算機。這種計算機的工作原理跟我們現在的計算機是不同，它是利用量子的波函式來進行計算的。它的計算邏輯不同於數位電子計算機，量子計算用來儲存資料的物件是量子位元，它使用量子演演算法來進行資料操作。

這種轉變就跟當年的模擬電話網路向數字電話網路轉變的道理一樣，也和我們的電腦網路從最初的區域網到網際網路的轉變，從簡單的RS232、RS 485再到10兆、100兆、1000兆乙太網，從同軸、到雙絞線再到光纖，這種變化其實就是新的技術手段代替老的技術手段的過程。面對無法再小的數字化積體電路科學家祭出的新的手段就是量子計算，用量子計算來取代數字計算，讓計算能力進入到一個新的發展階段。

認真閱讀到此處的小夥伴們可能已經看出來了，其實並沒有什麼所謂的“物理極限”，人類每次遇到這樣的極限，其實都意味著下一個突破的開始。與其被其所限制，不如對其加以利用，這就是人類智慧的亮點。人類已經不止一次用自己的智慧證明：每一次的阻礙都將讓我們能夠站得更高。