芯片破壁者（七）：繞過經(jīng)典計算的墻與路

此前的系列文章中，我們都在回顧半導體歷史上的技術(shù)突圍與跨越。現(xiàn)在讓我們調(diào)轉(zhuǎn)一下目光，望向同樣波譎云詭的未來。

從半導體的發(fā)現(xiàn)，到晶體管材料的博弈、大規(guī)模集成電路走向產(chǎn)業(yè)化，可以發(fā)現(xiàn)從人類告別繼電計算機，跨入電子計算機開始，七十多年來芯片技術(shù)的每一次進步都充斥著偶然性，甚至是市場零和博弈的結(jié)果。如果不使用 A 技術(shù)，B 技術(shù)是否更好？可能很多時候，答案會永遠封存在風中。

那么問題隨之而來：既然今天的半導體規(guī)則充滿了偶然性，那么我們所熟知的通過電流實現(xiàn)計算、通過晶體管操控電信號、通過二進制實現(xiàn)比特計算的模式，可能根本就不是人類實現(xiàn)計算的最佳方案？至少不是計算的終極選擇？在整個半導體技術(shù)發(fā)展史上，能不能“繞路”實現(xiàn)性能更好的計算始終都是擺在桌面上的話題之一。在中美科技博弈的背景下，這個話題異常重要。

希望“繞過經(jīng)典計算”，包含著兩方面的動機。首先摩爾定律極限的不斷逼近，讓產(chǎn)業(yè)界隱約看到了計算的天花板。隨著 5nm 芯片實現(xiàn)商業(yè)化，3nm 甚至 2nm 提上日程，摩爾定律的物理瓶頸顯然已經(jīng)不遠。讓習慣了高速運轉(zhuǎn)的半導體工業(yè)慢下來甚至停下來，其后果非常可怕。

另一方面，經(jīng)典計算伴隨著七十年的技術(shù)固化與全球產(chǎn)業(yè)鏈分配，已經(jīng)客觀成為了一種國家與地區(qū)之間的鉗制手段。甚至半導體被認為和金融、軍事一道，組成了美國與西方國家制約全球的三大利器。在中美貿(mào)易摩擦中，半導體底層技術(shù)很快成為了競爭焦點，也就是廣為人知的所謂“卡脖子”。那么如果我們找到了一種方案，可以繞過經(jīng)典計算，讓全球回歸同一起跑線，那么半導體這道枷鎖豈不是瞬間歸零？這種可能性，讓“新計算”成為全球新一輪科技競爭中至關(guān)重要的戰(zhàn)略因素。

讓我們來看一看：繞過經(jīng)典計算都有哪些路，而路的盡頭又會不會只是幾堵墻？

要計算，于是有了光

經(jīng)典計算的核心，是用半導體元件完成的電子計算。而有一種自然介質(zhì)，具有比電更好的信息通過效率，那就是光。

早在上世紀六十年代，用光的折射來表示信息，從而代替晶體管和電子計算就成為了一種學術(shù)構(gòu)想。1969 年，麻省理工學院開始了光子計算機研究課題。而直到 1990 年，著名的貝爾實驗室造出了結(jié)合棱鏡、透鏡和激光器等元器件的全球首臺光子計算機，才宣告光子計算走入了產(chǎn)業(yè)化階段。

主流的光計算實現(xiàn)方案，是利用光的衍射和傅立葉變換原理來實現(xiàn)計算。在產(chǎn)業(yè)中傾向于依靠反射鏡、透鏡等元器件，改變激光的射入射出，從而實現(xiàn)不同的信息表達，完成用光子代替電子來實現(xiàn)計算。如果這個改變得已完成，計算產(chǎn)業(yè)需要的將不是高度精密的集成電路，而是以各種光導纖維、光學元件組成的集成光路。而光相比于電子來說，有兩個計算領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢，一個是基于光傳遞可以更高速處理并行計算，再就是光計算將節(jié)省大量電能。

然而與經(jīng)典計算相比，光計算也有著堪稱“致命”的若干問題。比如說光的背景噪音非常復雜，很難實現(xiàn)純度較高的光波過濾，這也讓光計算難以執(zhí)行復雜的計算任務(wù)。另一方面，把光學器件打造成集成光路，還面臨著一系列的工程障礙。光學器件的微型化、工程耐受度、抗損失性，都缺乏有效的實踐方案。換言之，光計算雖然經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，但依舊處在“未來科技”的分組里，和腦機接口、基因存儲等技術(shù)的地位類似。

雖然國內(nèi)外已經(jīng)有了一些光計算相關(guān)的企業(yè)，但這些公司的業(yè)務(wù)更多集中在對電子芯片的工藝改進，以及光學元器件的市場化上，距離真正意義上的光計算還有遙遠的路程。相對來說，聽上去更“玄虛”的量子計算，反而距離我們的生活更加接近。

如今，“遇事不決，量子力學”已經(jīng)成為了一句調(diào)侃。其起源似乎是很多文學影視作品里，一旦拋出一個很厲害又不好解釋的技術(shù)，就冠以“量子 XXX”，乃至社會中出現(xiàn)了“量子速讀”“量子鑒寶”等奇怪的東西。

但是嘗試將物質(zhì)拆解到最小狀態(tài)的量子，與計算產(chǎn)業(yè)的結(jié)合卻并不是什么“玄秘”之事。量子計算經(jīng)歷了四十年的發(fā)展，已經(jīng)成長為各科技大國、主流科技公司都在布局與大規(guī)模投入的技術(shù)類別。

在 1982 年，諾貝爾物理學獎得主、量子力學之父理查德·費曼，就在與物理學家保羅·貝尼奧夫的一系列學術(shù)探討中，共同肯定了利用量子糾纏態(tài)進行計算的可能。隨后，保羅·貝尼奧夫正式提出了“量子計算”概念。

（理查德·費曼）

所謂量子計算，主要是指利用量子的態(tài)疊加原理與量子相干原理完成的計算。計算過程中，粒子在進入量子狀態(tài)后，能夠用“超態(tài)”的上下兩個方向的量子自旋來表示數(shù)值，從而完成計算任務(wù)。與經(jīng)典計算相比，量子計算的最大特點是它能夠進行強大的并行計算，根據(jù)理論設(shè)想，由幾百個量子比特構(gòu)成的量子計算機，可以同時進行數(shù)十億次運算。其效率遠遠超過了今天人類計算能力的極限。

良好的產(chǎn)業(yè)愿景，以及摩爾定律極限的逼近，讓各個國家與科技公司紛紛投入到量子計算的開發(fā)競賽中來。而這次科技競走的核心指標，就是誰能率先實現(xiàn)所謂“量子霸權(quán)”，即用所開發(fā)的量子計算系統(tǒng)，超越目前人類最好的算力設(shè)備。產(chǎn)學各界普遍認為，“量子霸權(quán)”的開啟，將意味著量子計算時代真正到來。

為此，半導體產(chǎn)業(yè)史上那些重要公司紛紛加入了這場游戲。最早開發(fā)出量子計算機的，是一家專注于量子領(lǐng)域，名為 D-Wave 的公司。他們在 2011 年推出了 128 比特的 D-Wave One 系統(tǒng)，被廣泛認為是世界上第一個商品化的量子計算機。但它所使用的量子退火技術(shù)，實質(zhì)上缺乏產(chǎn)業(yè)實踐價值，更多是提供給科研機構(gòu)的研究用品。

從 2017 年開始，新一輪量子霸權(quán)競賽拉開了帷幕。這一年 3 月 IBM 公布消息稱，已經(jīng)研發(fā)出了“支持 50 個量子比特的計算機”。幾個月之后，IBM 的老對手英特爾宣布量產(chǎn)了 49 量子比特的計算芯片。到 2018 年 3 月，谷歌公布了名為 Bristlecone 的芯片，并宣稱這款芯片可以支持 72 個量子比特的計算。谷歌相關(guān)團隊負責人 John Martinis 在當時提出，Bristlecone 已經(jīng)可以支持超越所有經(jīng)典計算的量子計算，并認為年內(nèi)就會實現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

（谷歌 Bristlecone 量子芯片）

然而從 2019 年到今天，雖然我們可以看到谷歌、IBM 等公司陸續(xù)公布各種量子計算的計算機、編程框架，以及軟件庫，但毫無爭議的量子霸權(quán)依舊沒有實現(xiàn)。事實上，在谷歌的一些實驗中，我們可以看到量子計算在一些特定任務(wù)上計算能力遠遠超過超級計算機，但在絕大多數(shù)任務(wù)中量子計算依舊不堪負用。

除了通用計算能力的欠缺外，量子計算的穩(wěn)定控制也是制約其商業(yè)化的關(guān)鍵因素。量子計算中，雖然量子比特數(shù)的增加是計算能力的核心，但更重要的是要對量子糾纏實現(xiàn)足夠長時間且狀態(tài)穩(wěn)定的控制。量子計算是極其不穩(wěn)定的，任何干擾都會造成巨大的噪音。這就讓量子糾偏變得非常重要。而且由于干擾噪音的影響，量子計算機要建立在絕對零度的低溫環(huán)境中，這也給商業(yè)化帶來了巨大的限制。

盡管如此，量子計算依舊可以被視作革新計算產(chǎn)業(yè)可能性最大的技術(shù)。在國內(nèi)，科技巨頭們也紛紛投入量子計算布局，阿里的量子電路模擬器“太章”，華為的量子計算軟件云平臺 HiQ、百度的量子機器學習開源框架量槳，都具有鮮明的產(chǎn)業(yè)特色與技術(shù)創(chuàng)新能力。而更為大眾所知的，是中國于 2016 年發(fā)射了“墨子”量子衛(wèi)星。其背后的中國量子衛(wèi)星首席科學家潘建偉院士及團隊，屢屢讓人們看到中國在量子計算領(lǐng)域的突破。

雖然從國家戰(zhàn)略到產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成、人才培育，我們可以看到中國在量子計算領(lǐng)域取得了顯著成果。但要客觀看到在核心的量子計算硬件層面，中國量子計算產(chǎn)業(yè)還與全球幾大科技公司擁有著相當長的距離。而即使是谷歌、IBM，D-wave，他們所展示的量子計算創(chuàng)新也還集中在實驗室層面，距離商用還有遙遠的距離。

目前的全球量子計算產(chǎn)業(yè)，隨時可能有冒出令人振奮的消息，隨時可能激發(fā)產(chǎn)業(yè)和資本的狂歡，但更可能很快歸于平靜。潮漲潮退之后，量子計算很大概率可以走出一個未來。而重點是，到那時中國計算產(chǎn)業(yè)會站在怎樣的位置。

關(guān)于計算創(chuàng)新，還有另一條相對被看好的路線：用新材料取代硅基材料制作晶圓。

這個思路的出發(fā)點在于，硅作為計算材料的發(fā)現(xiàn)有著相當大的偶然性，那么或許還存在其他自然或人工材料，可以通過材料代替來打破摩爾定律的極限。硅的一大特點就是散熱性不強，功耗相對較大，新半導體材料也被認為是解決計算能耗問題的根本方案之一。

在眾多新半導體材料中，石墨烯是目前最受關(guān)注的一種。自從 2004 年英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃消洛夫，從高定向熱解石墨中剝離出石墨烯，這種材料的多方面價值就受到了廣泛關(guān)注。作為半導體材料，石墨烯的特點是導電性極好，而且在理論上可以做到比硅晶圓更小，從而增強芯片的能效。而石墨烯最大的特點是產(chǎn)熱很少，并且有著良好的導熱性，被廣泛應用在散熱領(lǐng)域。這也是半導體材料急需的關(guān)鍵特性。

但問題是，目前高純度的石墨烯提取還非常復雜，很難實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。并且石墨烯本身非常脆弱，很難實現(xiàn)以其為材料的晶圓制造。在已經(jīng)有的產(chǎn)業(yè)嘗試中，良品率始終不盡如人意?；蛟S只有適配石墨烯的半導體工藝與輔助材料工藝都得到大規(guī)模發(fā)展，石墨烯芯片才有真正的產(chǎn)業(yè)價值。

近幾年，半導體產(chǎn)業(yè)開始逐漸認為碳基材料取代硅基材料是延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵。為此，眾多科研機構(gòu)開始沿著碳基的方向?qū)ふ野雽w新材料。也有一些實驗認為，新的無機化合物是解決芯片材料的關(guān)鍵。另一方面，在量子計算等新計算模式中，也必然需要與之相適配的芯片材料，這也讓計算材料的更新，擁有比延續(xù)摩爾定律更長遠的價值。

總體而言，新的計算模式、計算材料來繞道經(jīng)典計算，在今天的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)實中處在“有希望，但機會渺茫”的形態(tài)里。并且很容易發(fā)現(xiàn)，西方世界扎實的基礎(chǔ)科學研究，讓材料學、物理學、工程學等基礎(chǔ)創(chuàng)新，以及相關(guān)人才培養(yǎng)依舊主要發(fā)生于歐美、日韓等發(fā)達國家。作為計算產(chǎn)業(yè)的后起之秀，彌補經(jīng)典計算七十年的天塹已經(jīng)非常困難，想要追趕基礎(chǔ)科學領(lǐng)域的差距更是難上加難。

但是半導體與計算機的歷史上，從來沒有哪次創(chuàng)新和突破是容易的，恰恰也只有艱難的追趕才能筑起獨屬的壁壘。而在中國發(fā)展量子計算等新計算領(lǐng)域的過程中，我們會很容易在社交媒體上注意到這樣一種聲音：“不要發(fā)展這些，這都是美國的科技競賽陷阱。做到最后只會勞民傷財?！?/p>

這種說法有道理嗎？客觀來看，科技競賽變成科技陷阱的情況在歷史上不乏例證。比如上世紀 40 年代，蘇聯(lián)與美國都在大力發(fā)展電子管計算機。而后美國產(chǎn)業(yè)鏈一舉切換到了晶體管賽道，延續(xù)電子管發(fā)展模式的蘇聯(lián)吃了一個大虧；再有上世紀 70-80 年代，日本和美國共同發(fā)展新一代計算機和專家系統(tǒng)，日本提出了著名的“第五代計算機計劃”。而后來美國產(chǎn)業(yè)鏈反而走向了微型機和家用電腦，舉國之力發(fā)展的“第五代計算機”成為了日本經(jīng)濟泡沫破裂的誘因之一。

如果說，我們不需要擔心繞路途中的“芯片陷阱”，那其實是一種無視歷史的盲目樂觀。但在謹慎之余，也絕不能陷入因噎廢食的過度保守。從蘇聯(lián)到日本，我們可以發(fā)現(xiàn)半導體陷阱往往伴隨著少數(shù)人的決策和缺乏產(chǎn)業(yè)競爭的培育環(huán)境。比如說蘇聯(lián)的計算工程始終面向備戰(zhàn)，缺乏學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界與決策層的有效溝通；而日本的“第五代計算機”項目耗費了過長的開發(fā)成本與開發(fā)時間。在一種舉國狂歡的真空氛圍里，缺乏項目周圍的商業(yè)競爭與產(chǎn)業(yè)檢驗。而美國在兩次競賽中的成功，都不是政府機構(gòu)設(shè)置了陰謀。而是科學家的技術(shù)突破，或者某個公司在純市場行為中的創(chuàng)新，自然淘汰了不合理的產(chǎn)業(yè)路線。

因此來看，想要在創(chuàng)新與探索之路上避開“芯片陷阱”，需要讓計算產(chǎn)業(yè)在三個環(huán)境因素的輔助下發(fā)展：

1、有效的全球化溝通與協(xié)作機制，避免產(chǎn)業(yè)鏈割裂帶來方向性困局。

2、創(chuàng)造包容自由富有活力的科研環(huán)境，容許失敗，甚至允許浪費和試錯，允許天才式的創(chuàng)新。在半導體歷史上，往往一個天才的想法將顛覆一個時代。

3、用有效的商業(yè)競爭和開放的市場環(huán)境、開發(fā)生態(tài)來證明產(chǎn)業(yè)路線的生存活力，而不是用少數(shù)人的判斷來指導方向，避免陷入越走路越窄的惡性循環(huán)。

不久之前，美國共和黨參議員湯姆·科頓說了一句無比刷新三觀的話。他說：“中國留學生可以來學莎士比亞，他們不需要來美國學習量子計算和人工智能。”

面對這種態(tài)度，與其敲擊鍵盤罵回去，不如好好把量子計算學個明白。總之還是加油吧，那些山之彼岸，海之盡頭的新計算之路，即使走到最后都是墻，也希望讓我們自己去觸摸一下墻的質(zhì)感。墻撞多了，可能就找到路了。

為了有一天，我們能歡迎美國學生來中國學習莎士比亞和量子計算。