隨著芯片尺寸的進(jìn)一步縮小，新的“物理極限”出現(xiàn)了。這就是我們傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片的設(shè)計(jì)理念問(wèn)題。我們都知道的，現(xiàn)在的電腦是基于數(shù)字電路0、1這樣的邏輯電路搭建起來(lái)的。而隨著芯片尺寸的減小，最小的PN結(jié)也在不斷的減小。由于量子效應(yīng)，PN結(jié)不能形成之前的工作狀態(tài)，也就是說(shuō)，不再表現(xiàn)出0和1這種狀態(tài)，量子效應(yīng)成為了數(shù)字集成電路的攔路虎。

這怎么辦呢?其實(shí)，需要的不是做新的PN結(jié)出來(lái)，因?yàn)镻N結(jié)已經(jīng)無(wú)法再小了?？茖W(xué)家們做的工作是，發(fā)展下一代計(jì)算機(jī)技術(shù)：量子計(jì)算機(jī)。這種計(jì)算機(jī)的工作原理跟我們現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)是不同，它是利用量子的波函數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算的。它的計(jì)算邏輯不同於數(shù)字電子計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算用來(lái)存儲(chǔ)資料的對(duì)象是量子位元，它使用量子演算法來(lái)進(jìn)行資料操作。

這種變化其實(shí)就是新的技術(shù)手段代替老的技術(shù)手段的過(guò)程。面對(duì)無(wú)法再小的數(shù)字化集成電路科學(xué)家祭出的新的手段就是量子計(jì)算，用量子計(jì)算來(lái)取代數(shù)字計(jì)算，讓計(jì)算能力進(jìn)入到一個(gè)新的發(fā)展階段。

還有就是目前，芯片都是由硅為基礎(chǔ)，在上面刻蝕電路，但是，理論研究表明，當(dāng)芯片制程達(dá)到1nm的時(shí)候，量子隧穿效應(yīng)，就是電子不受控制，所以這是人們很擔(dān)心的問(wèn)題，1nm后怎么辦?目前人類馬上將硅基材料的性能壓縮到了極限，所以更換材料已經(jīng)被提上日程，目前最有希望的便是二硫化鉬(MoS2)。

硅和二硫化鉬都有晶體結(jié)構(gòu)，但是二硫化鉬對(duì)于控制電子的能力要強(qiáng)于硅，眾所周知，晶體管由源極，漏極和柵極，柵極負(fù)責(zé)電子的流向，它是起開(kāi)關(guān)作用，在1nm的時(shí)候，柵極已經(jīng)很難發(fā)揮其作用了。而通過(guò)二硫化鉬，則會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題，而且二硫化鉬的介電常數(shù)非常低，可以將柵極壓縮到1nm完全沒(méi)有問(wèn)題。

1nm是人類半導(dǎo)體發(fā)展的重要節(jié)點(diǎn)，可以說(shuō)，能不能突破1nm的魔咒，關(guān)乎計(jì)算機(jī)的發(fā)展，雖然二硫化鉬的應(yīng)用價(jià)值非常大，但是，目前還在早期階段，而且，如何批量生產(chǎn)1nm的晶體管還沒(méi)有解決，但是，這并不妨礙二硫化鉬在未來(lái)集成電路的前景。

當(dāng)前，芯片由先進(jìn)制程帶來(lái)的性能、功耗回報(bào)正在顯著降低。近幾個(gè)月，搭載5nm制程工藝SOC的智能手機(jī)陸續(xù)上市。從這些手機(jī)的實(shí)際表現(xiàn)來(lái)看，無(wú)論是臺(tái)積電的5nm FinFET工藝，抑或三星的5nm LPE工藝，性能、功耗提升都未能滿足市場(chǎng)預(yù)期。

三星方面，功耗翻車的問(wèn)題比較突出。采用三星5nm LPE工藝的驍龍888處理器和上代產(chǎn)品驍龍865處理器對(duì)比，單核功耗和多核功耗明顯增加，能效表現(xiàn)上大幅下降。

臺(tái)積電方面，快步推進(jìn)的5nm，實(shí)際性能提升有些拉胯。以蘋果A系列處理器為例，同樣基于臺(tái)積電7nm制程，A13處理器相比A12處理器CPU性能提升20%、GPU性能提升20%;而基于臺(tái)積電5nm制程的A14相比A13，CPU 性能方面提升大約在16.7%左右，GPU性能提升則大約在8.3%左右。

也就是說(shuō)，在蘋果A系列處理器上，5nm制程進(jìn)步帶來(lái)的進(jìn)步，很可能還比不上蘋果自己對(duì)處理器架構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)。雖然有一些業(yè)內(nèi)人士猜測(cè)，這是由于5nm初期良品率不高，蘋果A14屏蔽了一些核心。但同樣采用臺(tái)積電5nm工藝的麒麟9000，其功耗控制較之官方數(shù)據(jù)也存在較大差異。

5nm先進(jìn)制程工藝的實(shí)際表現(xiàn)普遍稱不上令人滿意，對(duì)于當(dāng)前階段使用5nm工藝的產(chǎn)品而言，其營(yíng)銷價(jià)值或許要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)先進(jìn)制程本身的實(shí)用價(jià)值。

更加令人感到不安的是，在當(dāng)前臺(tái)積電5nm制程工藝的實(shí)用價(jià)值都很成問(wèn)題的情況下，臺(tái)積電還在持續(xù)加大對(duì)下一代制程節(jié)點(diǎn)3nm工藝的研發(fā)投入。在近日的財(cái)報(bào)會(huì)議上，臺(tái)積電管理層宣布2021年計(jì)劃將年度資本開(kāi)支從2020年的170億美元大幅提升到250億至280億美元，增幅將達(dá)到45%至63%，其中約80%將用于3nm工藝研發(fā)，這意味著，臺(tái)積電今年將會(huì)有超過(guò)150億美元的資本支出投向3nm工藝。

而根據(jù)臺(tái)積電此前公布的計(jì)劃，他們的3nm工藝，計(jì)劃在今年風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)，2022年大規(guī)模量產(chǎn)。也就是說(shuō)，按照臺(tái)積電的規(guī)劃，明年在市場(chǎng)上我們就可以看到一些搭載臺(tái)積電3nm工藝的產(chǎn)品。

這依然符合臺(tái)積電近幾年來(lái)的先進(jìn)制程升級(jí)換代節(jié)奏，然而從產(chǎn)品的實(shí)際表現(xiàn)來(lái)看，高昂的代價(jià)并沒(méi)能完美實(shí)現(xiàn)預(yù)期中的效果。換而言之，臺(tái)積電現(xiàn)在很可能已經(jīng)觸碰到了資本投入和技術(shù)實(shí)現(xiàn)之間的一個(gè)瓶頸，忽視這一瓶頸而又急切想要實(shí)現(xiàn)3nm先進(jìn)制程工藝的臺(tái)積電，其實(shí)已經(jīng)陷入了一場(chǎng)極限技術(shù)冒險(xiǎn)。