随着硅基芯片进入10nm以下，越来越接近物理极限，摩尔定律即将在硅基芯片上失效。芯片的出路在何方？

目前全球主要有两种下一代芯片在研：碳基芯片和量子芯片，而中国也在其中。

碳基芯片：我国北大彭练矛和团队在2020年5月26日宣布碳基芯片半导体制备材料取得关键性突破；

量子芯片：8月25日中国科技大学潘建伟团队的朱晓波教授对外宣布，中国科大今年预计可以实现60量子比特的超导量子系统，并且有望在5年后实现千个量子比特的系统。

如果说硅基芯片是马车；

那碳基芯片就是汽车；

量子芯片既不是高铁、也不是飞机，而是火箭！

所以，量子计算机，又被美国科学家赋予个新的称号：“量子霸权”。量子霸权代表量子计算装置在特定测试案例上表现出超越所有经典计算机的计算能力。实现“量子霸权”可以将人类直接带入科学的下一个维度，届时计算机的能力将远超人类自身。

但量子芯片领域离商业化还很遥远，目前还需靠碳基芯片维持现有产业链的过渡。

碳基芯片中美的不同道路

碳基芯片相对传统的硅基芯片有着成本更低、功耗更小、性能更佳的优势。

碳基芯片研发目前有两家处于第一梯队，美国的麻省理工学院和中国的北京大学，这两家团队都在碳基芯片上努力了十几年，并且都于近期取得了成就。

1.美国麻省理工（MIT）的碳基芯片制备工艺与现有的硅基芯片兼容，可以更快产业化，但性能很落后。

2020年6月1日，麻省理工学院（以下称 MIT）电气工程与计算机科学系助理教授马克斯·舒拉克，带领团队在《自然·电子学》杂志发表了题为《在商用硅制造设施中制造碳纳米管场效应晶体管》的论文。

舒拉克团队改进了一种将衬底浸没在纳米管溶液的沉积技术，从而让工业设备制造碳管成为可能。他们表示，这将促进碳管尽快应用到商业中。

而该技术是利用现有的硅基芯片产业链进行制备（如光刻机和EDA软件），，MIT的碳基芯片制备技术，就是冲着产业化去的，但该技术有个最大的症结，就是性能太差，目前所取得的成绩仅相当于30年前的硅基芯片性能，离真正的取代硅基芯片，还差的很远。

2.中国北大创新性地研发出大面积制备碳纳米管排列的工艺，性能超越硅基芯片，但产业链形成还需时日。

而中国的碳基芯片则完全不同，目前现有的硅基芯片产业链关键技术都被国外垄断，如果继续走MIT的老路，无疑还是会被卡脖子，北大彭练矛团队就开发了一种全新的提纯和自组装方法。

利用该方法可以制备出高密度、高纯半导体阵列的碳纳米管材料，在此基础上还首次实现性能超越同等栅长硅基 CMOS 技术的晶体管和电路（CMOS，互补式金氧半导体），首次制备出性能超越同等栅长硅基CMOS技术的碳纳米管阵列，纯度高达99.9999%。

北大团队成功制备出的5nm栅极碳纳米管COMS器件，速度两倍于英特尔最新商用硅晶体管，能耗却只有硅晶的四分之一，展示出10nm以下碳基芯片的巨大商用价值，性能远超MIT的研究。

但我国的碳基芯片也存在两个问题：

一是采用了全新的制备方式，所以整个产业链需要重建，不像MIT可以利用现有的硅基芯片产业链快速商业化（正好可以借机重构我国的芯片产业链，不会受制于人）。

二是我国的企业大多都是等有了成果才会介入，不像国外提前投资研发，这也给我国碳基芯片的产业化带来了时间和投入上的限制。

好消息是华为等企业已经与彭练矛团队取得了接触，这为下一步快速产业化打下了良好的基础，如果我国能在碳基芯片的制备技术上走出自己的产业化之路，那未来芯片产业将不再会被国外卡脖子，并走上芯片制造的制高点。

量子计算机为何被定义为“量子霸权”

碳基芯片只能说是在现有的芯片体系上继续延续“摩尔定律”，由碳基芯片接棒硅基芯片，继续以18个月翻一倍性能的速度前进。

但量子芯片的出现，则远远超越了摩尔定律，它会把人类的文明直接带入下一个维度。美国也把量子计算机定义为“量子霸权”，这种霸权是可以无视现有经典计算机的。

量子计算机的原理

这里先简单做个量子计算机的原理科普，我们知道计算机是利用二进制来进行计算的，二进制由0和1组成，计算机的电子管就用开和关分别代表0和1，电子管数量越多，也就是开关越多，则能代表的二进制数值就越多，计算能力就越强，现在的电子管都做成了纳米级，7nm就是一个晶体管，在指甲盖大小的面积上就可以布设数十亿个晶体管，这就是经典计算机的基本原理。

而在量子计算机中，由于量子处于叠加态，每个比特单位既可以是1，还可以是0，也可以既是1、又是0，这就超越了传统晶体管只能是0或1的状态，传统经典计算机一个比特只能代表一个状态，量子计算机一个比特可以是2^N个数，随着数量的增加，其存储能力呈指数级上升，一个250量子比特的存储器（由250个原子构成）可能存储的数达2^250,比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。

看到这里大家应该知道了，量子计算机不用数十亿个晶体管进行运算，光250个量子单元的存储和计算能力，就远远超越了宇宙全部原子数量的总和。

不要说以现有的硅基芯片数十亿个晶体管来算，哪怕是按照我国潘建伟团队宣称的有望5年实现千个量子比特，其性能都已经超越了我们人类目前的想象极限，这就是“量子霸权”。

按照科学家的预测，50个左右的量子比特，就可以超过传统经典计算机的计算能力。

量子霸权竞争的生死时速

目前各国都在抓紧量子计算机的研发，走在第一梯队的依然是中美两国，美国的谷歌和我国的中国科技大学潘建伟团队。

• 2019年1月IBM公布全球首款商用量子计算原型机；

• 2019年9月谷歌以53个量子比特，让量子系统花费约200秒完成传统超级计算机要1万年才能完成的任务，表示成功实现了“量子霸权”。

• 2020年8月28日，谷歌成功用12个量子比特模拟了二氮烯的异构化反应。这意味着用计算机的计算能力，可以还原化学反应，创造一个完全数字化的复杂世界。

• 2020年8月25日，中国科技大学潘建伟团队的朱晓波教授对外宣布，中国科大今年预计可以实现60量子比特的超导量子系统，并且有望在5年后实现千个量子比特的系统。

• 未来10年期的目标，即一百万比特量子计算机，保真度99.8%，和谷歌相同。

中国科技部2011年启动的“十二五”导向性重大项目（超级“973”），要求在2015年实现比特数3 的量子芯片。目前这一目标已实现，而启动的“十三五”重点研发计划“半导体量子芯片研究”，要求2020年前获得品质因子1000、比特数6的量子芯片。

从企业的角度来看，比较大的IT公司，例如谷歌、IBM、微软、英特尔、以及国内的腾讯、阿里巴巴、百度、华为，几乎都涉及到量子计算，并且全球已经有上百家的量子计算创业公司，发展非常快速，也已经有非常好的成果展现。

碳基和量子芯片都还在路上，虽荆棘满布但仍需负重前行

做个简单的总结，硅基芯片已经到了物理极限，碳基芯片将要接棒硅基芯片延续“摩尔定律”，量子芯片将迎接计算机发展的里程碑拐点。

不过这两种芯片都离产业化还有距离，同时企业也需加大参与的力度，不能只靠科研团队独自奋战。

芯片之困破局任重而道远，但好在我们已在下一代芯片布局上处于第一团队，虽然现在伤痕累累，但未来可期。