CPU的未來，你覺得是Intel的，還是IBM的？

紫光日前花近38億美元買下了西部數據15%的股份，這是件令人興奮的事，因為全球硬碟每年出貨量以億計。

但是卻沒有國產廠商，這次收購事件之後，一定程度上也算是有國產硬碟了吧……但是要論提升逼格，記者倒是希望紫光這類土豪收購一家晶片廠商，這是一個動輒需要十億美元級投資的一個產業，也是IT領域最為高精尖的科技。

下面說到本文的正題，晶片。

現在晶片到什麼階段了？晶片技術哪家強？越來越小的晶片，對我們的生活有什麼好處？請耐心往下看（認真的同學，請自帶高中物理小冊子；學霸請無視錯誤或Nice指正）。

主流和非主流晶片技術

從本質上來說，一顆微處理器就是由採用不同材料製成的許多「層」堆疊起來的電路，裡面包含了電晶體、電阻器、以及電容器等微小元件。

很明顯，組件之間間距越小，能排布在晶片上的元器件就可以更多；另外，更小的電容和導通電壓，又會帶來功耗的降低和能效的提升；而且同一片晶圓可切割出來的晶片就可以更多，Show me the money~

如我們前面所說，隨著製造工藝和材料科學的發展，以及為人民服務的獲利心態驅動，晶片的製程工藝也在大幅提高。

從目前來看，22nm晶片（比如英特爾的Ivy Bridge）為主流，14nm晶片（比如英特爾的Skylake）正在成為主流，低於10nm的晶片（本文主角）即將完成研發。

（怎麼知道你現在是主流擁護者，還是非主流的發燒友？看看你的CPU型號，然後去找他的說明書吧。

）

**nm，這裡說的是晶片電晶體門電路的尺寸大小，也就是常說的製成工藝（Process Size）。

從上世紀70年代開始，這一尺寸從微米級降到了1x納米，同時其性能越來越高，大量的功能被集成到晶片當中（這裡的晶片可以是CPU、GPU，也可以是其他種類的晶片，當下主流的晶片均基於矽電晶體構建）。

大家熟知的摩爾定律（當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍），就是晶片進化周期。

在判斷晶片進化的程度時，我們會看兩個指標：晶片製程的縮減及性能的提升。

也就是說，器件尺寸小了多少，功率提高了多少，和能耗少了多少。

摩爾定律雖不是一個物理定律，但確實是當下IT發展的一個重要的理論基礎，簡單地說，只要摩爾定律還在走，每隔20個月左右硬體性能就會翻一翻，滿足同樣業務需求所需成本就會降低一半，同時更大規模的應用和數據中心也成為可能。

但，這麼一直發展下去，肯定不可能啊，（地球是有引力的啊，你不能一直向上啊~餵~）接下來有個問題是如果摩爾定律走不下去怎麼辦？

一個矽原子直徑大約只是0.2nm，那麼14nm製程的晶片與其說使用電晶體，不如說是排列幾百個原子成為一個隔離區域，其難度可想而知。

那麼接下來是10nm或者更低尺寸的晶片，難道肯定更大。

有多難呢？晶片巨頭英特爾推遲了往10nm晶片的發展計劃！（你們玩兒吧，我先歇歇。

）

市場老大表明了態度了。

那是不是說，摩爾定律就先這樣了？

嗯。

肯定不是，否則科技怎麼繼續進步是吧。

所以這時候，另一個老大站了出來，IBM。

後矽晶片時代是個什麼東東？

IBM在此站出來提出了一個後矽晶片時代的概念。

在進一步解釋這個概念及IBM怎麼做之前，我們先介紹一下做出相關研究的牛*團隊。

IBM Research。

IBM官方有這樣一段介紹：今年已經是這個機構成立的第70年，IBM Research的使命是利用信息技術定義未來。

IBM Research 擁有6個大洲的12個實驗室及3000名研究員。

這裡產生過6個諾貝爾獎、10個美國國家技術勳章、5個美國國家科學勳章、6個圖靈獎、19位國家科學院科學家，最後還有14人入選美國國家發明家名人錄。

在IBM Research的官方網站上羅列了包括沃森、深藍、千兆級浮動柵及DNA電晶體等前沿課題。

就是這樣一個機構，提出了一個後矽晶片時代的概念，並且已經走到了第二步。

一定程度上，IBM在技術研發上眼界更寬，其風格也更偏向學術（比如沃森，他的主要任務是思考任何可以思考的事），所以在晶片製程縮小到10nm所以半導體涉及在1x到突破10nm這個關頭，IBM能率先打破僵局也算情理之中。

IBM不久之前推出了一個7nm測試晶片，這仍是基於矽的一個半導體材料，只是加入了鍺矽材料並採用了極紫外（EUV）光刻技術。

進一步講，這項技術由IBM、Global Foundries、三星和紐約州立大學理工學院納米工程系聯手完成。

目前，這一技術還處於研究階段，如果得以實現，未來電晶體的通斷會更快，而且功耗也將隨之降低，手指甲蓋大小的晶片上將被集成200億電晶體。

從其官方新聞稿來看，這個晶片主要應用領域是大型主機和POWER系統。

當大型主機晶片進化之後，大數據、雲計算等領域的發展也將得到推進。

但，就這樣了？（爆米花都準備好了，你給我看這個？(ᅌᴗᅌ* ) ）

當然不是，就在7nm測試晶片的新聞發布兩個月之後，IBM爆出新聞，來介紹他們是如何利用碳納米管電路來打造後矽時代的，為此，IBM在去年宣布了一個30億美元的後矽時代計劃。

這是IBM晶片計劃的重頭戲，如果成功，晶片製程將進入7nm甚至更小的時代。

首先，碳納米管是一種絕佳的半導體，相比矽半導體能使電荷的移動速度提高到10倍以上。

由於可以把碳納米管做的比當今最小的電路還要小，所以要想製作低於10納米的電晶體，碳納米管似乎是一種理想的材料。

從晶片的角度講，碳納米管的優勢主要體現在三個方面。

首先碳納米管可以做到3~5nm製程，所以相比矽來講更有優勢；其次相比貴半導體，碳納米管能使電荷的移動速度提高到10倍以上，性能也將隨之提高；最後納米管在散熱和導熱性上也表現優異，所以也很適合進行CPU的高密度組裝，晶片的功耗也將因此得到改善。

從IBM納米管的結構來看，可以看到這些納米管都是空心圓柱結構，管壁則由單層碳原子構成，並以六角形晶格相連。

但材料的進步並不能解決所有問題。

IBM的納米技術研究負責人韓淑珍（Shu-Jen Han）在接受媒體InfomationWeek的訪問表示，隨著電晶體變小，相應的連接器（連接兩個有源器件、傳輸電流或信號/起橋樑作用的器件）也會變小。

但這兩個組件的發展卻不是同步的。

隨著連接器變小（比如到了10納米），電阻也在上升，最終會影響CPU的整體性能。

根據情況的不同，穿過電晶體的電子或者電子空穴（呃，回去補習物理課）就會很難通過連機器代表的這道大門。

也即是說，當小到10納米的時候，連接器就沒有足夠的空間來讓電子流入或流出通道（納米管電晶體）。

韓淑珍就碳納米管和連接器的關係，以高速公路和出口的方式打了個比方。

你在高速公路上跑到多快都沒關係，但是如果出口很小，那麼你要通過它時就必須減慢速度，現在的情況就是，碳納米管的出口非常非常小。

所以，在高速公路（碳納米管）準備好之後，就要選擇製作工藝來解決出口問題（連接器的效率需要與碳納米管匹配起來）。

在試過大量的金屬之後，鉬表現出了極佳的性能。

與傳統的焊接或蝕刻物理過程不同，納米管和鉬接觸點之間的連接由冶金過程（通過化學的方法將金屬熔斷在納米管的頂部）來實現。

韓認為他們做法的新穎之處在於，通過碳納米管的頂端來實現了連接，這樣不會降低設備的性能。

也就是說通過材料的選擇和製造工藝的創新，晶片的製程工藝有望超7nm以下前進了！！（必須沒這麼簡單，但，大概是這樣吧 (˶‾᷄ ⁻̫ ‾᷅˵) ）

然後呢，這有什麼用？

嗯。

記者不知道。

不過IBM知道。

碳納米管如此之好，所遇到的挑戰似乎也已經被IBM解決，那麼接下來就是產品化。

2014年IBM將自己的晶片製造業務賣給了Global Foundation。

所以碳納米管何時出現在市場上還是一個未知數。

不過就從晶片研發的角度講，韓表示，IBM現在有能力用納米管製造7納米的電晶體，但是很可能會選擇以更小的電晶體（3-5納米）用於器件生產。

如果是以7納米進行生產，那麼整個行業可以期待在5年內生產納米管CPU，而如果是更小尺寸，可能要到10年才會有大量的器件出現……

但是根據這些優勢，IBM還是告訴了我們一些碳納米管在應用中的優勢。

首先就是提高計算速度，大數據分析、雲數據中心的服務效率都將得到大幅度的提高（CPU升級都會有這個優勢吧）。

其次，移動終端可以運行更長時間，這應該與碳納米管在功耗上的優勢有非常大的關係，這是不是意味著以後筆記本電腦和手機可以好幾天不充電呢？

最後，大王在這裡多說幾句：

10年對於摩爾定律來講是個非常長的時間，但是IBM畢竟指出了一條突破10nm的途徑。

但是上文還提到了一個已經有測試晶片的7nm矽電晶體的產品。

這樣一算，如果兩者全部實現的話，IBM還真是維護了摩爾定律。

之所以這麼強調摩爾定律，試想如果半導體工藝一直停在32nm三年，那麼我們的科技發展也將隨之停滯。

正是半導體為核心的IT技術周期性的進化，整個IT技術和產業才能高速發展，正如前所說英特爾如果不能搞定10nm，那麼對於IT產業而言實在不是個好消息。

系統越做越大，應用對處理器計算性能需求愈來愈高是必然的趨勢，安迪-比爾定律告訴我們沒有用不完的計算資源。

一旦晶片工藝出現停滯或者發展緩慢，應用的發展速度也將受到影響，進而影響IT產業演進，這個連鎖反應是所有人不希望看到的，也是IBM碳納米管受到眾多關注的主要原因。

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