芯片掐不死中国的脖子
之前中兴事件加上中美贸易战的持续升温，中国在尖端科技产品方面被人掐了脖子的言论甚嚣尘上。而其中最为大家关心的自然是芯片。本人在贴吧、哔站活动期间，不时听到有人说：“现在就已经追不上别人的脚步了，以后只会被落下的越来越快。我们还在攻关别人十年前的技术的时候别人已经在开发新的技术，芯片领域国人再无翻身之日了。”
站在一个准技术人员的视角，结合我的结构化学知识，这个观点显然是错误的。高性能芯片的性能与其中晶体管尺寸成反比，晶体管尺寸越小意味着能够在芯片上附带越多的晶体管；而由长度-体积关系式很容易想到，长度的有限缩小就会导致体积的剧烈缩小进而使得晶体管的数量呈指数爆炸的方式增长。因此世界各国都在努力地开发更加先进的光刻机使之可以加工越来越小的晶体管。这也是中国在芯片领域长期被人压了一头的关键原因：我们的光刻机至今依然停留在28纳米的时代。买不来、造不出，芯片特别是高性能芯片的制造加工自然也就受制于人了。
不过幸运的是，上文提到的这种关系并不能持续增长。根据量子力学的原理，由于硅原子中电子间相互作用带来的原子中电磁学性质的改变，芯片中的晶体管并不能无限减小因为太小的话这种效应的影响就会干扰晶体管的运作；加上晶格单元尺寸的限制，4纳米已经封顶而现有的物理学研究表明7纳米的尺寸以下量子效应就已经不能忽略以至于会影响芯片的性能了。这也就意味着发达国家（其实也就是美国……）在半导体领域已经触及到了极限（英特尔正在攻克7纳米的芯片）。而现在我国已经有能力突破22纳米的芯片制造技术（尚不具备商业化能力），下一步便是14/12纳米，或者说，那个极限距离我们已经不远，追赶不过是一个时间问题罢了。而要知道计算机技术就是当代社会的支柱体系，在这方面只要能够平起平坐甚至引领先进，就能够有效地在下一个科学技术发展的前沿占据制高点了；正所谓“科学技术就是第一生产力。”因此这根本不能叫做掐脖子，这最多只是领先者遇到瓶颈之后无奈的下冷绊子的行为罢了。
这里可能有人会问：既然这样，能否通过改进半导体材料、优化硬件布局甚至硬堆芯片数量来达到提升计算机性能的目的呢？那样的话我们的计算机技术还是被压了一头啊！更不要说还有非冯结构、生物计算机以及量子计算机的选项呢！
且慢，短时间内真的有可能代替晶体硅成为半导体的材料仅有碳纳米管一种而已（晶体锗太稀有而加工石墨烯太困难了）。这种材料的潜力在于它能很容易地在绝缘体、半导体、良导体甚至超导体之间转换[1]。很容易想到，如果使用碳纳米管代替单晶硅制作晶体管就能够显著地减少不必要的损耗并降低发热量让其中的晶体管能够一直处于超频状态下（事实上现在已经有将CPU、GPU等浸泡在液氮里以达到类似目的的技术）。但很可惜，目前还没有办法将碳纳米管按照单晶硅一样的方式排列成足以制成芯片的超大型晶体管集成电路阵列。至少目前来看这一方案应该是行不通的了。
而优化硬件布局的手段其实这么多年大家一直在做，原因和不能硬堆芯片数量的理由是一样的：随着芯片数量甚至芯片中核心数量的增加，超级计算机的性能将不再与之呈现线性关系因为大部分时间将消耗在芯片之间甚至芯片内部核心信息交互的过程中。此时即便增加芯片数量计算速度也不会再有显著的提高了。这种情况下优化硬件布局、改进算法和软件反倒会起到更至关重要的作用（事实上正是这个问题才催生了现代超算和显示适配器等领域的一个重要技术：多线程处理）。值得一提的是，也正是因为这一原因，中国在高端芯片生产严重受制于人的情况下依然通过优化超算中的硬件布局等条件在超算排名方面取得了惊人的成就[2]。
非冯结构的确是一个很好的卖点。这是因为其中的“细胞自动机”结构计算机是最接近生物计算模型的体系而正是后者产生了人类的智慧[3]，只是这种结构的计算速度实在不敢恭维在可见的未来是不可能取代冯诺依曼结构的。同理，如果没有这方面的研究，生物计算机就是无源之水无本之木。从这个角度来说，现阶段想要靠着这些东西动摇传统计算机的地位可以说是不可能的了。
至于说量子计算机，这种技术其实并不依赖传统结构计算机的技术基础。量子计算机的原理是观测一系列粒子的量子态（比如固定磁场中的自旋值）并基于这些粒子之间的关联引起的量子态的变化构造逻辑门“电路”进而实现运算。而在这一领域除了更加先进的观测装置以外，还需要找到符合需要的对应粒子。在这一方面中国科学家做出了杰出的贡献，结合量子通讯方面积累下来的技术实力，可以说这个领域中国走在世界的最前沿了。因此，现阶段只要突破了芯片制造方面的桎梏，下一个科学技术的制高点就有一半握在我们手里了。连抢占下一个山头的资本都已经初步具备，哪儿来的掐脖子一说[4]？
事实上，从始至终，能够真正卡住中国脖子的都不是某种单一的产品、技术甚至不是某一种具体的事物。从漫长的中国历史来看，除了天灾这种不可抗力因素以外，只有思维模式的缺陷带来的积重难返有可能给作为一个文化意义上的民族整体的中国造成真正意义上的破坏。不论是古代不少人不重视认知自然意义上的科学精神带来的基础科学理论落后、漠视学术自由党同伐异钳制思想摧残文化压抑进步与变革的力量，还是当代某些人鼓吹辩证逻辑导致认知和思维体系停留在前科学时代锁死科技、抱残守缺妄想从几千年前的古书里找到解决21世纪问题的方法，这都是思维模式缺陷带来的积重难返。如何从根本上启发民智、教会人们通过理性认知世界、独立思考、基于逻辑分析和质疑去寻找不论是有用的还是没用的问题的答案进而反作用于基础科学和技术应用的进步好让未来我们能够真正意义上抢占科学技术的关键节点甚至引领那个属于人类的星辰大海的征途，这才是当代中国人尤其是知识分子真正需要思考的问题了。
[1]：碳纳米管这种神奇的性质源于其特殊的导电机理。我们知道，一种材料的电磁学性质，不论是电感、电阻还是电容等，本质上只取决于两个参数：磁导率和介电常数。从微观层面上看，材料的磁导率和介电常数是其中电子相互作用的反映。磁导率是分子中电子的磁矩对磁场的影响的反映而电子的磁矩来源于其自旋；而介电常数则是其中电子电场的总和的宏观反映。对于碳纳米管而言，由它的导电性能来源于其中碳原子sp2杂化形式结合之后形成的离域大π键。这种因为电子离域之后的共轭效应而产生的结构在内部共享电子，相当于形成了类似金属内部“电子气”的效果。从微观层面来说，电子在原子内不是按照固定轨道运动的球体而是按照波函数的概率在一定空间范围内随机出现的点，在教科书和科普读物上通常用电子云描述。离域之后的电子就像把许多个原本没有关系的电子云（电子可能出现的位置）交叉、关联了起来。电子云交叉重叠覆盖的角度和“面积”（即两个电子都有可能出现的空间范围）便会影响电子之间的相互作用进而影响磁矩和电场矢量。由于碳纳米管本质上是大量sp2杂化的碳原子形成的平面卷曲而成（可以理解为石墨烯弯卷成的管状结构），因此很容易想到通过改变碳纳米管卷曲的角度和平面卷曲之后连接的方式、程度（此时通常在连接界面上通常会有少量以sp3杂化的相互连接的碳原子）就能有效地改变碳纳米管中电子云交叉覆盖的角度等因素。我们就是通过这样的性质，制备出了从绝缘体到超导体（很遗憾，碳纳米管的超导效应依然要在低温下才能显著地体现出来）等各种性能的碳纳米管。常用作半导体的硅和锗与碳同属一族，根据元素周期律，理论上碳元素也存在可以具有半导体性质的同素异形体，不久前大红大紫的石墨烯就是如此。考虑到上文碳纳米管的绝佳性质和现在计算机芯片的一些问题比如由于电子热耗散等原因导致的无谓功耗，可以说以石墨烯、碳纳米管为代表的碳材料就是未来计算机芯片材料的最佳候选者。
[2]：这里贴两条链接给大家。具体的信息和解读还请自己领会——《全球超算最新排名：美国蝉联冠军，中国退居三四位》、《科技袁人：理解超算排名这个事居然超出了很多人的智商》。
[3]：细胞自动机是一种特殊的计算机结构；不同于冯诺依曼结构，这种计算机没有存储器、运算器、输入输出设备的区分，仅仅是一些地位平等的、通过二进制表示数据的格子。这些表示数据的格子遵循一些特定的规则因此会根据周围格子的状态进行改变。那么通过制定巧妙的规则，就可以构建一些属于这种系统的精妙算法。在哔站和油管上一度大热的生命游戏便是根据特殊规则运行的细胞自动机在二维平面上（冯诺依曼构思的最原始的细胞自动机只有一行格子）的一个特例。当代数学家已经证明基于其中一部分算法的细胞自动机就是通用计算机，或者说任何可能通过计算机解决的问题，都可以使用基于这些规则的细胞自动机解决。考虑到生命演化历程中的很多过程例如动物体表的图案纹理等都是遵循与细胞自动机相似的计算方式（依照周围的细胞按照一定的规则改变自己的状态，只不过规则更加复杂），因此不难想到，神经活动也可以通过类似的规则来模拟和构建。而正是遵循这种计算方式的神经系统产生了人类的智慧和意识；从这个意义上来说，这些看上去和计算机八竿子打不着的东西里很有可能蕴含着人工智能真正的钥匙。
[4]：这里必须澄清一点，量子计算机的高性能实际上是源于基于微观粒子量子态之间的关系我们可以建立一系列巧妙的量子算法进而高效率地处理一些特殊问题例如分解质因数或者模拟多体运动、特殊凝聚态内部参数这方面的运算。但是在一些没有办法构建巧妙算法的模型之下，量子计算机并没有显著的优势，并不像有些媒体吹嘘的那样无所不能。
