1nm会是芯片的终点吗[朗读]

对于硅基芯片来说，1nm可能会是这条路线的终点，但是对于人类芯片来说，1nm绝对不会是终点的。
首先、硅基芯片未来会面临很大的发展限制。
一直以来芯片的材料都是以硅材料为主，但是随着芯片工艺的不断提升，传统硅基芯片正在逐渐逼近极限，它的极限在哪里呢？那就是1nm
而1纳米之所以是硅基芯片的极限，这里面主要基于两点考虑：
第一、硅原子的大小。
芯片的制造工艺就是将晶体管注入到硅基材料当中，晶体管越多性能越强，想要提升芯片的工艺，那就要提高单位芯片面积的晶体管数量。
但是随着芯片工艺的不断提升，单位硅基芯片能够承载的晶体管已经越来越饱和，毕竟硅原子的大小只有0.12nm，按照硅原子的这个大小来推算，一旦人类的芯片工艺达到一纳米，基本上就放不下更多的晶体管了，所以传统的硅脂芯片基本上已经达到极限了，如果到了1nm之后还强制加入更多的晶体管，到时芯片的性能就会出现各种问题。
第二、隧穿效应。
所谓隧穿效应，简单来说就是微观粒子可以穿越障碍物的一种现象。
具体到芯片上面，当芯片的工艺足够小的时候，原本在电路中正常流动构成电流的电子就不会老老实实按照路线流动，而是会穿过半导体闸门，最终形成漏电等各种问题。
这种现象并不是硅基芯片达到1纳米的时候才出现，实际上在之前芯片达到20纳米的时候就曾经出现过这种漏电现象，只不过后来包括台积电等一些芯片制造厂家通过工艺上的改进之后才改善了这种问题。
到了7纳米到5纳米之间的时候，这种现象再次出现，只不过asml发明了euv光刻机，这大幅提升了光刻能力，所以才能够让台积电、三星等各种厂家顺利生产出7纳米、5纳米、3纳米甚至未来可能出现的两纳米芯片。
但未来随着芯片工艺越来越小，当传统的硅基芯片达到一纳米的时候，各种问题会逐渐暴露出来，到时候即便一些芯片厂家能够突破1纳米大关，但整体的芯片性能估计不会那么好，至少不会太稳定，甚至有可能出现各种问题。
也正因为如此，所以很多人都认为1纳米是传统硅基芯片的极限。
但对人类来说，1纳米绝对不是最终的极限。
所谓极限，其实是基于人类现有的技术水平和认知水平而做出的定义，但未来随着人类技术水平，认知水平的不断提升，芯片的极限也会不断取得突破。
就像当初电脑刚出来的时候，一个电脑就像一个房子那么大，当时没有人想到今天的电脑会缩小到笔记本那幺小。
再比如芯片，当初在芯片达到20纳米左右的时候，很多人也以为芯片已经达到极限了，尤其是在出现漏电现象的时候，很多人都以为人类不可能攻克这些难题了。
但是这些年在人类技术不断进步，在芯片制造工艺不断提升，在光刻机水平不断提升的情况下，人类却不断突破这种极限，从14纳米到7纳米，再到5纳米再到3纳米，事实证明人类是可以不断向前推进的。
所以我觉得1nm肯定不是人类芯片的极限，未来即便达到物理极限了，但是人类仍然可以通过其他方式提高芯片的性能。
所谓极限，我认为有物理上的极限，以及功能上的极限。
从物理极限上来说，硅基芯片确实会面临最终的终点，一旦芯片达到1纳米，就算能够突破1纳米，但达到0.12纳米的时候，你绝对不可能把硅原子一分为二吧，所以总会有达到物理极限的一天。
但是从功能上来说，人类将来也可以通过工艺上的改进，材料上的改进，来不断提升芯片的性能。
目前提高芯片性能，解决物理极限问题的出路主要有几种路线：
1、以碳基芯片取代硅基芯片。
从目前的科学研究来看，碳基芯片比硅基芯片性能更好，同等面积下的碳基芯片，性能要比硅基芯片高一倍以上甚至几倍以上。
比如有些人就说28纳米的碳基芯片性能就相当于3纳米的硅基芯片，如果未来这种技术能够实现，这意味着一纳米的碳基芯片性能就相当于0.1纳米左右的硅基芯片性能。
2、发展化合物半导体材料。
最近几年化合物半导体发展越来越猛，相比于硅基芯片而言，化合物半导体性能更加优越，这种化合物半导体由多种材料构成，比如氮化镓、砷化镓等等，这些化合物半导体在速度、延迟、光检测和发射方面都要比硅基芯片有更优越的表现，个别化合物半导体的速度甚至比硅快100倍。
按照这个速度来推算，如果这些化合物半导体最终的工艺能够推到2纳米，那就相当于0.02纳米硅基芯片的性能。
3、采用芯片堆叠技术。
最近几年时间，很多企业都在积极发展芯片堆叠技术，简单来说就是把几个芯片堆叠在一起从而提升整个芯片的性能。
比如2纳米的芯片通过多次堆叠之后，它的性能就会大幅提升。
4、芯片主板化。
芯片主板化简单来说，就是在一个芯片上面设置不同规格的芯片，不同芯片用来处理不同的功能，就像主板一样。
比如用于核心计算的芯片可以是3纳米的，但用于处理一些功能比较弱的选项可以用7纳米的或者14纳米的等等。
5、发展量子芯片。
量子技术现在已经越来越成熟，目前包括中国和美国在内，已经成功实现了量子通信、量子计算等一些技术突破，而且量子芯片也在积极推进当中。
如果未来量子芯片能够量产了，人类的芯片将会进入一个新的时代，到时硅基芯片很有可能会被淘汰掉。
量子芯片是利用量子纠缠来进行计算和存储，它的性能将大幅提升，而且提升的效率不是几倍，而是几百倍甚至上万倍。
所以从芯片的发展前景来说，1nm不是人类芯片的极限，至少从功能上来看，人类的芯片性能会不断提升，至于极限在哪里，我们无法预知，因为人类的技术一直在不断进步。

1纳米的长度大约相当于9个硅原子排列，硅原子表面还有电子包裹，按照这个情况，1纳米的工艺应该已经是硅的极限了，再小下去就无法实现半导体的功能，再发展下去就需要另外寻找更合适的半导体材料。

当然不是。
先来给大家科普一下“1nm是芯片终点”这个言论是怎么来的。
大家应该都知道，一枚芯片内部其实就是由数十亿甚至数百亿颗“晶体管”构成的，而晶体管通俗来讲就是一个又一个的电路开关（处理器之所以能够处理信息其实就是由这些开关开实现的，机器码中采用二进制的010101对应的就是这些开关的打开和关闭）。咱们所听到的诸如5nm，7nm工艺，本质就是指这些晶体管中栅极的宽度（5nm工艺的晶体管栅级宽度就是5nm，7nm工艺就是7nm以此类推）。
那么栅极的宽度越小，单位面积内所能容纳下的晶体管数量也就越多，而晶体管数量是衡量处理器性能的一个核心指标，理论上来讲晶体管越多，处理器的综合性能也就越强，这一点应该很好理解，毕竟人多力量大吗，芯片也是一个道理。
举个例子，采用5nm工艺的麒麟9000的晶体管数量就达到了153亿颗，而麒麟990只有103亿颗，所以麒麟9000的性能就要比麒麟990强很多，这就是晶体管数量提升所带来的结果。
另外，栅级的宽度越小，栅级之间的电容也就越低，电容降低也就意味着芯片的功耗会降低。那么也就意味着芯片设计公司可以在功耗不变的情况下提高处理器的时钟频率（也就是主频）而主频的提升可以大幅度提高处理器的单核性能。
所以处理器工艺的提升本质上就是一个提高晶体管排列密度以及降低功耗的过程。
在聊清楚了芯片工艺提升的本质，我们就来说一说“1nm工艺是芯片终点”这个说法的由来。
根据前文所说的知识我们可以知道，1nm的工艺，意味着晶体管中栅级的宽度只有1nm，而目前所有半导体芯片基本都是采用硅作为基础材料，而硅最基础的组成部分也就是硅原子的直径为0.24纳米。也就是说，在1nm的工艺下，晶体管中栅极的宽度只有四个半硅原子那么大，非常非常薄。在这种情况下，硅元素组成的栅极的电阻会无限趋近于0，那么既然都没有电阻了，还怎么起到阻拦电子的作用呢？所以就很容易出现电涌以及电子击穿的问题（其实7nm工艺就已经很明显了）从而影响芯片的实际应用。
所以，对于硅基单栅极芯片来说，别说1nm工艺了，2nm都是一个坎，3nm很有可能就是硅基芯片的终点了。这就是1nm工艺是芯片终点这个言论的由来。
但是大家要注意，这是结论针对的是硅基芯片。但是能够做芯片的半导体材料并不只有硅这一种，硅不行了，我们还可以换新的半导体材料。譬如最新的就有二硫化钼晶体管就是一个很好的选择，因为二硫化钼晶体管对于电子的控制能力要强于硅，就算是在1nm的工艺下也能够起到阻断电子的目的，很适合拿来做硅的替代品。其他的其实还有很多，譬如碳基芯片，目前同样也很火热，同样也是硅的一种良好的替代品。
其次我们还可以在栅极数量这个方面做文章，如下图所示，我们还可以往其他方向面叠加栅极，因为处理器性能本质上就是看栅极的多少，这个技术在业界被称作gate-all-around fets立体栅极技术，三星和台积电已经都在用了。

最后还有一个最简单的办法那就是增加芯片的面积以及采用层叠的方式，这样也能够大大的增加晶体管的数量，从而提升芯片的性能，麒麟9000的板载面积就比麒麟990大不少，实在不行还可以外挂，大不了以后cpu，gpu以及基带全都独立出来，这样就能减少功耗，苹果a系列处理器不就是这么干的么。
总之，1nm并不是芯片的终点，大家大可以放心了。