量子摩尔定律问世，光子芯片的弯道超车能成功吗？
米国对于中国科技的封锁，从中兴、华为的芯片之后，再到前段时间很火的光刻机担忧，再到近几年成为热点的光子芯片，然后看到这个问题——光子芯片的“弯道超车”能成功吗？
不由得就想回答下——
中国芯片产业现状说实话，中国的芯片产业发展，要感谢美国，感谢特朗普。如果不是特朗普、美国为首的西方国家掀起的对中国芯片在内的高科技企业大打压、封锁和断供，国内大多数人并不知道人手一部手机使用的芯片技术，中国和西方对手之间存在着高科技领域的绝大实力差距，目前看到来几年内还难以超越。
自然，我们也很少有机会知道国产量产7纳米、5纳米芯片竟然是一件如此艰难的事情——难道竟然相处这个问题，利用光子芯片来实现弯道超车。
那么，中国的芯片产业究竟处于什么水平呢？
经过几年的传播，现在估计人人都知道，芯片是世界上最难账掌握的高端核心技术之一，也能为衡量一个国家的科技实力标准的重要指标之一。
我们已经知道，半导体芯片或称之为硅电子芯片是由沙子（稀土材料）制成的，但是从沙子到硅电子芯片，这中间要有很远的路要走，跟别说目前讨论的趋近于物理极限（从目前的5纳米到2纳米、1纳米）的硅电子芯片了。
一般来说，硅电子芯片产业包括研发、设计、制造和封测几个环节。每个环节中还包括很多小环节，每个小环节还分为更多工序，每一个工序都可能成为验证科技实力的机会和难题。
然后，我们再说芯片的产业生态链，基本分为IDM模式和Fabless模式。
IDM模式，就是芯片的设计、生产、封装和检测都是自己做。
而Fabless模式，就是无晶圆厂的芯片设计企业，专注于芯片的设计研发和销售。而实物产品的晶圆制造、封装测试等环节，外包给代工厂（称为Foundry）完成。
放眼全球，能够完成IDM模式的，也仅仅只有半导体高科技的TOP老牌企业才能做，像英特尔、三星、TI（德州仪器）等极少数几家企业。
大部分芯片企业，基本都选择了Fabless模式，这包括华为、MediaTek、高通，都是Fabless。
而Foundry就是Fabless企业把设计好的芯片交给Foundry来生产，全球范围包括TSMC（台积电）、格罗方德、联华电子等。
好，全球说完，我们再说下中国芯片产业的真实水平。
目前的中国，还没有一家IDM企业。没说，说的是一家都没有。
而已米国和特朗普对中国高科技的打压，正在逼迫着中国至少拥有一家IDM企业，在这点，我们要感谢特朗普。
中国的新品啊企业主要走的是Fabless模式，也即是像华为和中兴等把芯片设计好，然后交给代工厂类似于台积电等帮我们生产出来，交给我们，然后组装成成品销售。
中国也有不少Foundry企业，分布于晶圆制造、封装测试等领域，这些甚至都处于世界领先地位。
但是，中国自己制造不出生产芯片的高端设备——光刻机，成为限制中国芯片发展的瓶颈。
就拿现在最火的5G终端芯片来说吧。全球有能力推出产品的，一共只有5家企业，其中有3家是中国的，分别是华为海思、MediaTek和紫光展锐（三家都是Fabless）。另外2家是高通和三星。
世界上最厉害的几家Foundry代工厂中，台积电和联华电子就是中国的。中国大陆的中芯国际，也有一定的实力。据国际半导体设备材料产业协会（SEMI）公布的数据显示，到2020年，全球将新建62座晶圆厂，其中26座将落户中国，占比高达42%。
光子芯片的机会——中国硅电子芯片的窘境在介绍光子芯片之前，先来梳理下硅电子芯片的窘境。
为啥我们感到生产芯片这么难，其实并不是中国生产不出制造芯片的光刻机，而是生产不出制造高端芯片（像7纳米、5纳米芯片）的光刻机。
为什么制造不出这种光刻机，是因为材料和工艺上的差距。本来像荷兰的ASML就是集全球半导体TOP企业作为股东成立的，在这方面的竞争可以说是中国在和全球的实力PK。
而纵观全球硅电子芯片产业链本身，其实也是存在窘境的。
任何产业趋近于技术极限的情况下，每前进一步都要经历巨大的挑战，这种挑战不但是技术、人才、资金、材料领域，更重要的是还有时间，看谁耗得起。
硅电子芯片的窘境，主要是在肉眼可见的未来（也许是5年，也许是8年，或者更长）会遇到物理极限。
谁都知道，这个领域的发展遵守摩尔定律。
随着芯片领域进入个位数（也即小于10纳米，进入7纳米、5纳米乃至于2纳米）时代，整个产业能否延续摩尔定律被再度提起，引发产业担忧。
因为，处于这个水平的芯片，进一步开发新制程变得无比艰难：器件的设计受材料的制约，需要设计新的鳍式晶体管。
而制造这种器件的设备更加昂贵，主要体现在材料和工艺上，像荷兰的ASML公司身缠的一台制造光刻机都是一亿多美金。
不久前，硅电子芯片行业的3纳米、5纳米时代已经来临，譬如三星和台积电两家，而设计5纳米、3纳米芯片容易，想要制造出来，又遇到了材料和工艺上的挑战。
譬如，为了构建5纳米器件，三星已经决定改变鳍式为纳米片结构，而这样的结构对材料和堆叠工艺的要求是空前巨大的。再往下，晶体管由于量子效应，已经无法保证在1-2纳米尺度进行正常操作，也就意味着电子芯片的进化宣布停止。
除此之外，芯片运行时产生的热量也对器件的稳定性提出了新的挑战。
上图，就是2017年IBM公司公布的他们设计的5纳米芯片。
芯片产业：光子芯片能成为主流吗？光子芯片，是相对于电子芯片而言的。
光子芯片，这几年之所以热门，一个原因是因为这几年AI技术和智能计算的庞大计算力需求，在一个就是硅电子芯片担忧的物理极限所致。
光子芯片就这样，进入研究人员的事业，全球出现众多光子芯片企业。
那，什么是光子芯片？光子芯片相比于电子芯片又有哪些优势？
用一句简单的话来解释光子芯片，那就是在芯片上使用了无数个光学开关器，作用就类似半导体芯片中的逻辑栅，利用不同波长，相位和强度的光线组合，在复杂的反射镜、滤波器以及棱镜结构所组成的数组中进行信息处理。
与大多数计算操作一样，人工智能和机器学习的基础是数学计算。然而，在AI应用中常见的一种此类复杂的数学问题是矩阵向量乘积。随着对基于AI的产品的需求增加，这些计算需要做得越来越快，由于电子集成电路的集成度受物理限制而不可能无限提高，基本上很快就会达到了可以快速完成计算的极限，已经存在了数十年的计算技术已无处可走。
由于光的快速反应和并行特性，能瞬间传输大量数据，因此被普遍应用在数据中心的服务器上。也因为光子传输过程稳定，并行能力强，且纠错设计相对简单，传输和转换所需要的能量极小，所以采用光子计算的架构理论上可以做到相对低的功耗表现。
但是使用光子学，无需解决此问题，光束可以比电流更快，更有效地穿过光子元件和传感器。响应速度更快，而功耗却大大降低。
而光子芯片的光明未来，还在于光子芯片可沿用目前成熟的半导体工艺技术，而目前仍处于实验阶段的光子芯片仅需要老旧的微米级工艺就可达到大幅超越既有半导体芯片的计算能力，也因此未来工艺微缩空间极大。而凭借芯片密度的增加，性能还能大幅成长，甚至有机会彻底改写摩尔定律的限制。
而凭借芯片密度的增加，性能还能大幅成长，甚至有机会彻底改写摩尔定律的限制。
这就让光子芯片从理论上也能做到规模极小的应用上，比如说移动设备中。
注意，这里提到的应用于移动设备之中的光子芯片，是理论上，而不是设计上，更不是制造上，产业上就更远了。
中国的光子芯片，能否实现弯道超车？为什么要弯道超车？
那是因为在硅电子芯片领域与全球的竞争太难了。
更是因为硅电子芯片领域别说中国，就拿全球来说，让硅电子芯片每前进一步的进化也快到达极限。
这个时候，处于热点之中的光子芯片给备受西方国家禁锢的中国芯片行业带来希望。
就像硅电子芯片产业一样，其生态链涉及到研发、技术、设计、制造、封测、材料和周边等诸多领域。
光子芯片领域也是如此，更别说光子芯片还处于理论阶段，全力研发光学芯片，不但需要理论研究，还有相关技术，包含芯片设计、核心算法、传输、设备、材料、周边等，必须打造成一个完整、成熟的光学芯片生态。
但是，话要说回来，沿用 CMOS 工艺是光子计算最大优势，但目标非取代传统半导体计算。
而且，光不适合做非线性运算，另外光芯片的集成度和尺寸还是会有一定的规范，要完全取代半导体芯片还是有很大的难度。
所以，中国芯片产业想通过光子芯片达到弯道超车。
从理论上，和我们举国之力生产处可以制造5纳米芯片的光刻机一样，肯定能实现弯道超车，但需要时间，人才，资金和技术的死磕。
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如果芯片工艺发展不能满足摩尔定律？
中国汉语中不是有句俗语吗，“人无远虑，必有近忧”，意为，但凡世上任何一个人，若对自己的未来考虑得不深远，那么忧患就一定会近在眼前。半导体行业本来是技术密集型、智力密集型行业。在半导体行业中，一直有着不少的精英人才。绝大多数的外行人都能想到硅基芯片工艺有可能走到终点的那一天，则半导体行业中的精英们，也一定比外行人更先设想到了硅芯片制程工艺有可能走到终点。其实严格来说，IT行业一直都在发展，一直在不断地创新技术和模式等，从而满足人们对产品、技术等越来越高的要求。换成另一种说法是，IT行业不会等到硅芯片工艺到达终点了后，才会掀起一场创新。并且，硅芯片工艺可能走到尽头与IT行业会否有一场创新，这两者之间并不能构成前因后果的关系。
在目前的芯片制造行业中，英特尔、台积电和三星均有非常强的工艺技术研发能力，其中又以英特尔的制程工艺水准为最高。先前，英特尔面向业界公布的一张工艺路线图中，已经有了5纳米工艺和3纳米工艺。5纳米工艺和3纳米工艺在英特尔的规划中均处在前沿研究的阶段。早在2016年，有媒体便报道，台积电在当年的台湾半导体产业协会年会上首次向业者们透露，台积电已有团队在研发3纳米工艺和2纳米工艺。三星同样规划出了一条工艺路线，2018年试产7纳米工艺，2019年陆续开发出6纳米工艺和5纳米工艺，2020年开发出4纳米工艺。
于是，有人索性称摩尔定律在当前进入到了后半场。正如网络上有这样一段原话：“三星、台积电和格罗方德的技术进步让我们看到了10纳米时代以及今后技术的发展路线。即使存在大量的物理与工程难题，集成电路产业也在一步一步向前走，摩尔定律尚未完全失效。不过在技术进展到5纳米甚至3纳米以后，集成电路中最薄的地方甚至只有一个或者数个原子层的厚度，那个时候硅基半导体的工艺极限可能真的要到来。”
必须要特别指出的是：就算硅芯片工艺能够从10纳米工艺进步到7纳米工艺，从7纳米工艺推进到5纳米工艺，再从5纳米工艺到3纳米工艺，这都是半导体上下游行业以及相关行业共同发展和创新才会有的结果之一，而不仅仅依靠芯片制造行业中的厂商来推动制程工艺向更先进的节点迈进。比如，Gartner的一位分析师近期在SEMI行业战略研讨会上就说：“7纳米节点有很高的设计成本，一款新芯片需要超过2亿美元的投资，但到2019年也可能会出现产能过剩的情况，我们预计到那时每月的产能会超过40万块晶圆，每块晶圆1万美元，7纳米制程可能无法支撑这些数字。”再比如，媒体日前有称：“除了开发芯片的架构不确定外，很多工具、材料等也在失势，目前部署的EUV极紫外光刻机仅用于替代193纳米浸润式光刻技术，FinFET能否再延续到下一个工艺节点还存争议，也可能要GAAFET来控制漏电和改善越来越高的Fin的可造性。如果GAAFET取代了FinFET，那么迁移到7纳米工艺和5纳米工艺的时间可能会比预期更长，从而偏离摩尔定律。”
最后，假定3纳米制程工艺后，硅基芯片工艺果然触达物理极限，人们当如何选择？是碳纳米管吗？是量子芯片吗？还是传说中的石墨烯材料……实际上早几年前有半导体行内人士便给出了一份有参考价值的答案，大致有三个可供人们选择的方向，分别是“More Moore”、“More than Moore”和“Beyond CMOS”。“More Moore”意为人们想尽各种方法，继续沿着摩尔定律的道理走下去。“More than Moore”的大意是，摩尔定律在不断演进的过程中，先前应该有未被人们挖掘的（产品）技术和功能等，人们可以回过头来将之充分开发出来并用于商业。“Beyond CMOS”指的是，当硅基CMOS逼近物理极限时，人们想办法开发出新型器件。
量子计算机以后会普及吗？
先来了解一下量子计算机的概念：量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。
换句话来说，量子计算机可能并不需要一体化的硬件适配，只需要一个整合而来的系统机制在传统计算机的基础上做一些适当的改动就能实现量子计算机内的量子理论。因此从转换的角度来看，并不需要耗费很多的资源，所以量子计算机应该是厂商们未来都想深入的蓝海。
量子计算机内的量子论把人们在宏观世界里建立起来的“常识”和“直觉”打了个七零八落。但实际应用过程中，你能感受到的除了运算速度上的高效，几乎没有什么其它的变化，因为那些都是科研公司要去整合规划的事。所以从用户的市场接受度来讲，量子计算机也并未改善用户们的日常使用习惯。
再来看一组数据：欧盟已经计划于2018年启动总额10亿欧元的量子技术项目；中国于2013年6月8日也成功实现了用量子计算机求解线性方程组的实验；2011年4月，一个成员来自澳大利亚和日本的科研团队在量子通信方面取得突破，实现了量子信息的完整传输……可见，很多国家早几年都已经量子计算机技术方面有浅层的科研效果，可见其所具备的潜力之大。所以站在既定的市场发展角度来看，它的普及也是必然的。
当然，这跟它高效的工作效率息息相关，也跟它所能广阔涉猎的领域有着密不可分的关系。
量子计算机能为我们带来什么？
安全高效的隐私保护
因为量子不可克隆的原理，用户所在网络上关于搜索、支付等的私密信息任何人都不会得到保存备份。换而言之，量子计算机如果真的在市场上普及之后，基本上就是为用户带去了一个阅后即焚、搜后即删、输后即消的完美体验。
精准无误的天气预报
量子计算机可以帮助建立更好的气象模型，让我们更深入地了解人类如何影响环境，并帮助我们确定现在能够采取哪些措施，以便能预防灾难发生。
新型产品的发现
沿用了来自于量子力学的实际应用理论，量子计算机可以在多个与之相关的领域贡献自己的核心优势，比如化学、物理、生物等学科，到时，新药品的发现、新元素、新生物的研究在精确的高效分析下都会有一个质的提升。
解决道路拥堵
量子计算机可以简化空中和地面交通控制的工作量，以超快速超高效的计算方式在微秒内迅速计算出最佳行驶路线。如果你计划公路旅行，期间要在10个不同的地方停留，普通计算机可能需要单独计算所有可能路线的长度，然后筛选出最佳路线。而因为量子计算机可以多线叠加，所以它可以不同时计算所有路线的长度。
进化人工智能
量子计算机的可以在传统计算机的基础上为人工智能的进化学习带来一个飞跃和提升，它可以在超能的基础上让机器学习变得更为超效。比如它可以让Watson一样的人工智能形态提前具备多项的逻辑分析能力，再比如它可以通过自我纠错功能自主纠正程序中出现的乱码以及出现在机器人身上的恶意程序代码等。
助益商用
量子计算机一旦在技术上实现突破以后，必定能在医疗、金融等方面带来很大的助益，而在与Watson一样的智能形态规划下，它可以进一步升级到一个近乎完美的状态，瞬间解决每个领域所遇到的棘手难题。
军事
量子计算机可以比普通电脑或人类更为高效快速的筛选大量数据，并在可用的相关信息内做进一步数据分析，它可以丢掉那些用途细微的信息，加强主导数据信息的延展分析。而具有不可克隆性的自身优势也可以让它在卫星通讯上有一个良好的军事保障。
量子计算机是下一个科技的拐角点，它所能带来的影响也并不是我们这一点信息就能完整说完的。而就目前的市场发展现状来看，一切都还只是一个开始，量子计算机在技术上仍然有很长的一段路程要走。
为什么电脑技术这么好？
电脑技术之所以发展得如此迅速且性能强大，可以归功于以下几个关键因素：
1. 摩尔定律：摩尔定律是由英特尔（Intel）公司创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）提出的。它预测了集成电路上的晶体管数量每18至24个月翻一番，同时成本降低。这使得计算能力不断提高，成本不断降低，从而推动了电脑技术的快速发展。
2. 研究和发展：全球范围内的政府、企业和研究机构不断投资于电脑技术的研究和发展。这些投入推动了硬件、软件和其他相关技术的不断创新和改进。
3. 开源和协作：开源软件和协作开发模式的兴起使得许多程序员和开发者能够共同解决难题，分享知识和经验。这种协作方式推动了技术的迅速发展和传播。
4. 市场需求：随着互联网、移动设备、人工智能等领域的迅速发展，对高性能电脑技术的需求不断增加。这种需求推动了相关技术的创新和应用。
5. 摩尔定律的持续推动：尽管摩尔定律的预测速度已经放缓，但它仍然在推动电脑技术向前发展。随着新技术如量子计算、神经形态计算等的出现，未来电脑技术可能会迎来新的突破。
6. 跨学科整合：电脑技术已经渗透到各个学科领域，如生物学、物理学、医学等。这种跨学科整合使得电脑技术能够解决更多复杂问题，提高我们的生活质量。
总之，电脑技术的快速发展得益于多个因素的共同作用。这些因素包括摩尔定律、研究和发展、开源和协作、市场需求、摩尔定律的持续推动以及跨学科整合。这些因素共同推动了电脑技术的不断创新和进步。
为什么荷兰在光刻机领域如此领先？
导读： 航空发动机一直被誉为人类顶尖工业皇冠上的明珠。但和光刻机比起来，尤其是最顶尖光刻机还是要逊色三分的，航发是在极端高温高压下挑战材料和能量密度的极限，而光刻是在比头发丝还细千倍的地方挑战激光波长和量子隧穿的极限。更难得的是，相比于高靠性的航空发动机，光刻机的可靠性更为严苛！前者保证了每天十万架飞机在天空安全翱翔，后者在全球工厂每秒钟刻出上千亿个晶体管分毫不差。这相当于坐在一家超音速飞机上给另一台超音速飞机上的绣花针穿线！那么为什么荷兰光刻机也就是ASML这么厉害呢？
光刻机原理： 光刻机的原理其实像幻灯机一样简单，就是把光通过带电路图的掩膜(Mask，后来也叫光罩)投影到涂有光敏胶的晶圆上。早期60年代的光刻，掩膜版是1:1尺寸紧贴在晶圆片上，而那时晶圆也只有1英寸大小。日本厂商： 60年代末，日本的尼康和佳能开始进入这个领域，毕竟当时的光刻不比照相机复杂。得益于日本经济的腾飞！80年代是日本半导体最风光的时候，本土几乎每家大公司大财阀都进入了半导体业。这给尼康和佳能双雄带来巨大的后盾，尼康和佳能占据绝对的市场和技术优势。
荷兰厂商高端光刻机巨头ASML：后来者ASML打破了这个局面，ASML最早是飞利浦分离的出来的，但是和大家想象的那样子还是不同的，飞利浦在实验室里研发出stepper的原型，但是不够成熟。因为光刻市场太小，飞利浦也不能确认它是否有商业价值，去美国IBM等谈了一圈没人愿意合作。飞利浦差点就把光刻机这个业务毙掉了，这时候有家荷兰小公司叫ASM International的老板Arthur Del Prado听说了有这么回事，主动要求合作。但这家代理出身的公司只有半导体前后道的经验，对光刻其实不太懂，飞利浦犹豫了一年时间，最后勉强同意了设立50:50的合资公司。1984年4月1日ASML成立的时候，只有31名员工。
ASML崛起：1986年半导体市场大滑坡（三星半导体就亏了3亿美元），导致美国一帮光刻机厂商都碰到严重的财务问题。ASML体量还小，所以损失不大，还可以按既有计划开发新产品。同期，尼康和佳能的新产品开发就暂时停滞了。 半导体领域的原生驱动力是摩尔定律。摩尔定律其实应该被叫做摩尔预言，这个预言中间还改过一次。戈登摩尔博士1965年最早的预言是集成电路密度每年翻倍，而1975年他自己改成每两年翻倍,有人说，这是人类历史上最伟大的“自我实现的预言”，因为英特尔就是照着这个预言一路狂奔数十年，直到光刻技术被卡在193nm,英特尔也成了网友说了十多年的“牙膏厂”。为了实现摩尔定律，光刻技术就需要每两年把曝光关键尺寸(CD)降低30%-50%。根据瑞利公式：CD=k1*(λ/NA)，我们能做的就是降低波长λ，提高镜头的数值孔径NA，降低综合因素k1。2002年台积电的林本坚博士在一次研讨会上提出了浸入式193nm的方案，随后ASML在一年的时间内就开发出样机，充分证明了该方案的工程友好性。浸入式光刻成功翻越了157nm大关，直接做到半周期65nm。加上后来不断改进的高NA镜头、多光罩、FinFET、Pitch-split、波段灵敏的光刻胶等技术，浸入式193nm光刻机一直做到今天的7nm(苹果A12和华为麒麟980，当然也包括A13和990)。而此时的尼康和佳能因为选择了太过超前的技术路线，难以量产.。光刻机就像印钞机，材料成本可以忽略不计，而时间就像金子一样珍贵。因此，尼康和佳能就此被挡在高端光刻机的门外。到了2009年ASML已经市占率近7成，高端光刻机领域市场占有率几近100%遥遥领先。
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