導讀:“互聯(lián)網(wǎng)+”已經成為當今媒體熱炒的話題，似乎所有的傳統(tǒng)行業(yè)都要搭上這班車，用所謂的“互聯(lián)網(wǎng)思維”把實體經濟搬到網(wǎng)上去，把銷售目標對準不斷增長的網(wǎng)民，實現(xiàn)網(wǎng)絡經濟和實體經濟的結合。

隨著智能手機的不斷更新，“互聯(lián)網(wǎng)+”又可以不斷玩出新的花樣，進一步推動網(wǎng)絡經濟的增長。移動通信從2G發(fā)展到3G，又從3G進化到LTE(4G)，大大提高了傳輸速度?，F(xiàn)在人們又開始討論5G了。5G移動通信的目標，是要把傳輸速率提高到10G，這意味著下載一部高清電影可能不需要1秒的時間;還要把數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t時間從現(xiàn)在的幾十毫秒下降到不到1個毫秒，這意味著我們今后的通信，真正變成了一種“零等待”的通信。

今后的“互聯(lián)網(wǎng)+”就將在這樣的高速、極低延遲的條件下，傳輸極大的數(shù)據(jù)量。這種“大數(shù)據(jù)”的數(shù)據(jù)量，還以指數(shù)曲線在不斷增長。

這一切聽上去很美好，但是要實現(xiàn)這樣的場景，還有很多問題需要解決。其中最關鍵的問題就是硬件。大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”這些軟件概念的迅猛發(fā)展，意味著大量的數(shù)據(jù)中心、路由器、大量的智能手機等硬件要制造出來。這些硬件的關鍵就是半導體芯片。不管是CPU處理器、還是存儲器(內存、固態(tài)硬盤SSD)芯片，中國的技術或產品，還遠遠落后于先進國家。

據(jù)報道，全球半導體市場規(guī)模達3200億美元，全球54%的芯片都出口到中國，但國產芯片的市場份額只占10%。半導體芯片已經超過石油，成為中國第一大進口商品。中國雖然在彩電、電腦、手機的生產數(shù)量上是世界第一，但還得依靠進口的芯片。除此之外，嵌在其中的高端芯片專利費用也讓國內的一些廠家淪為國際廠商的打工者。

另一方面，很多人每天在起勁談論“互聯(lián)網(wǎng)+”的時候，卻不知這個“互聯(lián)網(wǎng)+”的存在條件是什么。大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”再這樣發(fā)展下去，它的“地基”是不是會垮掉?你是不是感到現(xiàn)在網(wǎng)速還遠遠不夠?你是不是覺得你的手機多打些電話就會發(fā)燙?你是不是覺得你的筆記本電腦的風扇聲音太吵?

CPU的問題

硬件的主要部件——微處理器，即CPU，它的處理速度從3G開始就已經落后于國際標準組織所定義的處理速度的指標，到4G時代，這樣的差距將拉得更大。按照目前半導體產業(yè)的設計和制造水準，哪怕是用目前最先進的水準，要想達到5G的指標需求，幾乎是不可能了。

50 年前，當時的英特爾公司創(chuàng)辦人之一的摩爾，提出半導體芯片里的晶體管數(shù)量將每兩年增加一倍。這意味著CPU的處理速度也可每兩年提高一倍。他的這個預測居然相當準確，這50年半導體芯片的發(fā)展的的確確是按照這條曲線在往前發(fā)展，所以人們把他的這個預測叫做“摩爾定律”。

然而，隨著晶體管尺寸越做越小，現(xiàn)在已經接近幾個納米，許多問題就接踵而來。第一是制作成本越來越高，要有100億美元的投資才能建設一個芯片廠;第二是物理尺寸到了納米級后，要解決很多量子效應、寄生效應、熱效應、幾何效應等等一系列新的問題。如果說這些問題目前還可以勉強應付的話，再過幾年晶體管物理尺寸再往下縮小的話就完全無法做了。

要提高CPU的處理速度，要么增加主頻頻率，要么采用多個CPU核，組成一個多核處理器。但是這兩個辦法都遇到了發(fā)熱及如何散熱的問題。世界最大的CPU生產廠商英特爾公司所開發(fā)的CPU的主頻，至今為止還沒有超過3GHz。就是說主頻提得太高，芯片就會急劇升溫直至燒毀。而AMD去年做了一次測試，把主頻提高到8GHz，號稱打破了世界紀錄，但是在這個CPU運作時，必須在上面不停地澆上液氦來降溫?？梢姽獍阎黝l提高，并不是一個好辦法。

于是工程師們走另外一條路，就是采用多個CPU核，提高了處理速度，同時可以緩解發(fā)熱的問題。但是隨著對處理速度的需求不斷提高，就需要增加CPU核的數(shù)量。英特爾公司已經在實驗室準備好了64核的處理器，其他一些研究機構或者新創(chuàng)公司則已經推出128核或者更多核的處理器。

這種多核的解決方案，同樣面臨著發(fā)熱的問題。如果在一塊極其微小的硅芯片里，集成了128個核，而這些CPU核又同時都在工作，那么這些核發(fā)出的熱量，因為密度太高，足以把這塊芯片燒毀。

有人提出建議，不要把芯片里的所有核同時開啟，在同一個時間段只允許少數(shù)幾個核工作，把這叫做“暗硅(Dark Silicon)”。就如同在一間房間里裝了很多高瓦特數(shù)的燈泡，你需要把大部分的燈泡關掉，只留下少數(shù)幾個開著，保持較暗的照明水平。一旦把房間里的所有燈全部打開，它們發(fā)出的熱量就有可能馬上把這個房間燒毀。

通電發(fā)熱是正常的物理現(xiàn)象，既然無法避免，那就要設法把這些熱有效地散發(fā)出去?？上У氖牵m然現(xiàn)在有很多工程師和科學家想出各種辦法來解決，如加散熱片、風扇甚至使用內嵌微水管來幫助散熱，但始終沒能有效地解決這類問題，特別是滿足未來更高的要求。

這些問題的出現(xiàn)，與芯片里集成的晶體管的基本原理有關。晶體管只是相當于一個開關。幾十年來我們所用的晶體管，都是通過電荷來控制的，電荷積聚多了開始流動，就叫“導通”，即這個開關處于開啟狀態(tài);沒有電荷流動，那就處于“截止”狀態(tài)，即這個開關處于關閉狀態(tài)。這里起到關鍵作用的是電荷的數(shù)量。電荷的流動就產生了熱量。

創(chuàng)新

有沒有辦法不依賴于電荷的數(shù)量來做成一個開關呢?最近幾年，已經有人作了大膽的創(chuàng)新，那就是利用電子自旋。在納米世界里，把電子自己的旋轉方向定義為一個開關的狀態(tài)，如向右轉為開啟，向左轉為關閉。另外還有人想到的是利用磁矩，把磁性粒子排成北極，定義為一個開關的開啟，排成南極，定義為一個開關的關閉。這樣的思路，從根本上顛覆了芯片最基本的原理，因為沒有電流流動，可以大大降低功耗，也即大大減少發(fā)熱，極具發(fā)展前景。

很多創(chuàng)新技術有可能顛覆目前的半導體芯片技術?，F(xiàn)在正在研究的是采用石墨烯來取代硅材料，可以大大提高工作頻率;也有實驗室使用“棉纖維”來做晶體管;或者采用特殊的塑料，做成“塑料芯片”，把復雜的電路“打印”到塑料上，這樣可以把一塊電路板變成一片可以卷曲的塑料片，甚至可以做到全透明。

你可以想象，如果把這樣的芯片用到手機里，那么手機將變成怎樣的手機?這就將成為一部極薄的、可以任意卷曲和折疊的、全透明的像紙片那樣薄的手機。這就是“硬件”的未來。

到那時，這樣的半導體芯片還可以在家里自己DIY、打印出來。從網(wǎng)上把電路圖和布線圖下載后，通過特制的打印機，直接就可以把芯片做出來了。這是“定制化”的芯片，即你可以根據(jù)自己不同的需求，打印出不同的芯片。換句話說，你可以自己制作個性化的手機。這是不是很酷?

這樣的塑料芯片，現(xiàn)在已經誕生在實驗室里了，相信在不遠的未來，就將投入市場。

從這里再談到中國的半導體芯片發(fā)展。按照傳統(tǒng)的晶體管原理來做芯片，由于種種原因，已經大大落后先進國家了，那有沒有可能把握住現(xiàn)在的機遇，在出現(xiàn)的創(chuàng)新技術方向上，從同一條起跑線上與發(fā)達國家競賽呢?是不是有必要把發(fā)展新型硬件變成國家戰(zhàn)略，而不是各地方小打小鬧呢?是不是需要媒體多關心一些新型硬件，而不是講來講去都是“互聯(lián)網(wǎng)+”呢?是不是從人才培養(yǎng)的大學教育開始，就要把這些創(chuàng)新的思路編到電子工程的教材里去，而不是還一直停留在灌輸傳統(tǒng)技術呢?

在這樣一種創(chuàng)新機遇面前，只有意識到“硬件”這個地基的重要性，才能迎來和保證今后幾年“大數(shù)據(jù)”、“互聯(lián)網(wǎng)+”的繁榮發(fā)展。我們期盼著新的中國“芯”時代的到來和崛起，這一次，應該成為掌握核心技術，世界硬件技術的引領者。

小編：DQ小子