CPU制造工艺展望

1、 畅想未来畅想未来CPUCPU制造工艺制造工艺 指导老师：戴长建指导老师：戴长建 班级：网络工程一班班级：网络工程一班 姓名：温志怀姓名：温志怀 学号：学号：20135916 20135916 序号：序号：145 145 也许您正酣战于德拉诺大陆，也许您也许您正酣战于德拉诺大陆，也许您正在用正在用officeoffice处理日常工作，无论您正在处理日常工作，无论您正在用电脑做着什么，当某个不经意的瞬间用电脑做着什么，当某个不经意的瞬间瞥见机箱里合着轻轻的嗡嗡声工作的瞥见机箱里合着轻轻的嗡嗡声工作的CPU/CPU/显卡显卡的时候，您有没有考虑过这样的时候，您有没有考虑过这样的问题的问题我们的我们

2、的PCPC会不会在哪天走到会不会在哪天走到尽头呢？尽头呢？目前主流的CPUNehalem/Westmere32nmSandy Bridge32nmIvy Bridge22nmHaswell22nmBroadwell14nm Your Subtopics Go Here线宽低于线宽低于1nm1nm时时 1nm1nm芯片可以被制造出芯片可以被制造出来，但它的运行状态以及来，但它的运行状态以及良率完全无法得到有意义良率完全无法得到有意义的保证，因为这一尺度的的保证，因为这一尺度的量子效应会更明显的反映量子效应会更明显的反映出观察者的存在和干扰，出观察者的存在和干扰，我们甚至没法知道一颗挂我们甚至没法

3、知道一颗挂掉的芯片究竟是哪里坏了掉的芯片究竟是哪里坏了又为什么坏了又为什么坏了。半导体工艺的光锥和视界半导体工艺的光锥和视界 1nm1nm工艺就是当前半工艺就是当前半导体工艺的光锥和视界，导体工艺的光锥和视界，现在没有人知道现在没有人知道1nm1nm之后之后的半导体工业会发生什的半导体工业会发生什么，所以么，所以1nm1nm就是当前技就是当前技术环境下术环境下PCPC以及电子计以及电子计算机的算机的“命运命运”，无论，无论CPUCPU、显显卡卡、内存内存还是还是硬硬盘盘都无法回避都无法回避。 半导体工业还有半导体工业还有14/10/7/5/314/10/7/5/3以及以及2nm2nm工艺工艺总

4、计总计6 6代的可发展余地，按照当前节奏来看起代的可发展余地，按照当前节奏来看起码还应该有码还应该有144216144216个月左右的周期（考虑到个月左右的周期（考虑到工艺下探难度的提升以及需求放缓导致的增速工艺下探难度的提升以及需求放缓导致的增速放缓，我们将工艺升级周期从放缓，我们将工艺升级周期从摩尔定律周期摩尔定律周期模模糊处理至糊处理至24362436个月）。换句话说，如果这一个月）。换句话说，如果这一极限在极限在1818年内得不到被突破，甚至是连具有可年内得不到被突破，甚至是连具有可行性的解决模型都没有出现的话，电子计算机行性的解决模型都没有出现的话，电子计算机以及基于电子计算机技术的

5、现有形态以及基于电子计算机技术的现有形态PCPC就算是就算是到头到头了。了。多年后的电子计算机多年后的电子计算机一、一、量子计算机量子计算机二、二、光子计算机光子计算机三、三、DNA计算机计算机量子计算机量子计算机 量子计算机基于量子量子计算机基于量子以及量子比特作为运算基础，以及量子比特作为运算基础，使用粒子的纠缠态、退相干使用粒子的纠缠态、退相干过程或者隧穿效应等量子效过程或者隧穿效应等量子效应来完成运算，能够达到常应来完成运算，能够达到常规电子门电路无法达到的运规电子门电路无法达到的运算速度和并行度。跟量子力算速度和并行度。跟量子力学一样，量子计算机以及量学一样，量子计算机以及量子比特也

6、属于子比特也属于“根本就不是根本就不是要让人明白要让人明白”的那种存在。的那种存在。量子计算机的优点一种能够让粒子隔空瞬移的魔法对于AI、大数据高效检索以及图像识别等领域有重要意义量子计算机的缺点量子计算机的缺点一、一、量子计算并不能进行现实意义上的逻辑运算量子计算并不能进行现实意义上的逻辑运算，它仅能利用，它仅能利用纠缠态纠缠态完成运算然后输出同样处于完成运算然后输出同样处于纠缠态纠缠态的结果的结果，这些结果处在这些结果处在无法操作无法操作的状态，的状态，需要复杂的转换过程才能变成具有实际意义的结需要复杂的转换过程才能变成具有实际意义的结果果。二、二、量子计算的量子计算的民用化民用化也存在相

7、当也存在相当现实现实的障碍的障碍。光子计算机光子计算机 光子光子/ /光电子计算机光电子计算机并没有量子计算并没有量子计算机那么机那么“玄幻玄幻”，它所基于的基础理论，它所基于的基础理论是相当简单自然的是相当简单自然的光学和光电效应光学和光电效应。光。光子计算机使用光子来替代电子完成运算子计算机使用光子来替代电子完成运算及操作过程，除了需要及操作过程，除了需要发光元件（激光发光元件（激光器）器）以及对应的以及对应的光导纤维光导纤维作为作为“导线导线”之外，它并没有提出太多过分的技术要之外，它并没有提出太多过分的技术要求，所以曾经一度被认为是最有希望替求，所以曾经一度被认为是最有希望替代电子计算

8、机的新计算方式代电子计算机的新计算方式。光子计算机的优点 拥有相对论范围内最快拥有相对论范围内最快的速度，本身没有质量，的速度，本身没有质量，与自身及其他物质的相互与自身及其他物质的相互作用远低于电子，所以作用远低于电子，所以光光子子/ /光电子计算机光电子计算机的能耗的能耗低，避免了电子在低，避免了电子在速度速度、传输能量损失传输能量损失以及以及工作发工作发热热等层面的束缚，信号传等层面的束缚，信号传输及处理快，具备先天的输及处理快，具备先天的并行传输并行传输/ /存储信息能力存储信息能力。光子计算机的缺点 在半导体层面实现小尺寸在半导体层面实现小尺寸可用光学元件，尤其是可以在可用光学元件，

9、尤其是可以在常规环境下稳定使用的光栅开常规环境下稳定使用的光栅开关仍存在困难，技术瓶颈相当关仍存在困难，技术瓶颈相当明显。而如果使用明显。而如果使用光电转换光电转换将将光信号光信号转化回电信号加以处理转化回电信号加以处理，协议复杂不说接口部分的速，协议复杂不说接口部分的速度还难以提升，所以光电子的度还难以提升，所以光电子的运算速度起码在现在看来没什运算速度起码在现在看来没什么优势可言么优势可言。DNA计算机计算机最后的最后的希望希望？ 天生天生高度并行，能耗极低，体积超高度并行，能耗极低，体积超小小，协议重建难度介乎于量子计算机与，协议重建难度介乎于量子计算机与光子计算机之间，运算模式与神经系

10、统光子计算机之间，运算模式与神经系统最为接近，运算结果可以和特定生化过最为接近，运算结果可以和特定生化过程同步完成并直接将运算结果呈现为实程同步完成并直接将运算结果呈现为实验结果，在解决可以充分验结果，在解决可以充分网格化网格化的非顺的非顺序问题时有独特优势序问题时有独特优势。优点 基于基于DNA/RNADNA/RNA分子及基分子及基因编码序列，以生化过程因编码序列，以生化过程完成计算的完成计算的DNADNA计算机虽然计算机虽然距离传统意义上的距离传统意义上的“计算计算机机”最遥远，但却拥有令最遥远，但却拥有令人难以拒绝的种种优势。人难以拒绝的种种优势。只需要只需要一滴水大小的溶液一滴水大小的

11、溶液，其中成百上千亿的，其中成百上千亿的DNADNA分分子就能超快速的搞定各种子就能超快速的搞定各种难解的数学问题难解的数学问题。骨感的现实 绝大部分所谓的绝大部分所谓的DNADNA计算模型都还只是试管里计算模型都还只是试管里或者显微玻片上的一抹溶或者显微玻片上的一抹溶液。结果表达形式也相当液。结果表达形式也相当复杂，需要重建的协议仍复杂，需要重建的协议仍旧极多，甚至连最基本的旧极多，甚至连最基本的IOIO接口都难以构筑，对二接口都难以构筑，对二进制体系的友好程度无法进制体系的友好程度无法量化判明。量化判明。人工智能？还是生命体？ DNADNA本来就是生命的基础本来就是生命的基础，让让DNA/

12、RNADNA/RNA具备了庞大且有具备了庞大且有序的运算能力，甚至是自反序的运算能力，甚至是自反馈性以及目的性，一旦触发馈性以及目的性，一旦触发某个方向上的耗散系统的自某个方向上的耗散系统的自组织现象，甚至由此而产生组织现象，甚至由此而产生了了AIAI或者或者类似类似AIAI的有序自主的有序自主存在形式，其结果可能是不存在形式，其结果可能是不堪设想的。堪设想的。电子计算机电子计算机真的要终结了么？真的要终结了么？ 工艺的极限是存在的，如果无法突破同时又没工艺的极限是存在的，如果无法突破同时又没有继任者，在现有环境下继续进行技术改进并寻求有继任者，在现有环境下继续进行技术改进并寻求新的解决方案就

13、成了必要的手段，如果能在相同工新的解决方案就成了必要的手段，如果能在相同工艺环境下通过艺环境下通过优化逻辑结构设计优化逻辑结构设计来提升硬件架构的来提升硬件架构的性能功耗比，我们就有了更晚触及工艺极限的正当性能功耗比，我们就有了更晚触及工艺极限的正当理由。当然，由于逻辑门电路的基本结构已经几无理由。当然，由于逻辑门电路的基本结构已经几无优化余地，对其宏观组合方式的优化并不能让我们优化余地，对其宏观组合方式的优化并不能让我们永远回避性能滞涨的问题，最后回到向永远回避性能滞涨的问题，最后回到向频率频率要性能要性能的路上是唯一的结局。的路上是唯一的结局。总结总结 如果电子计算机体系寿终正寝，整个产业

14、以如果电子计算机体系寿终正寝，整个产业以及我们的生活都将会随之发生巨变。无论用哪种及我们的生活都将会随之发生巨变。无论用哪种技术手段接替，届时要更换的都将不仅仅有设备技术手段接替，届时要更换的都将不仅仅有设备，还有几乎所有，还有几乎所有内外部协议和应用环境内外部协议和应用环境，这不光，这不光是技术的问题，同时也是产业、消费者甚至社会是技术的问题，同时也是产业、消费者甚至社会环境的大问题。除了成本堪称天文数字，对整个环境的大问题。除了成本堪称天文数字，对整个人类的文明也将会产生未知且深远的影响。人类的文明也将会产生未知且深远的影响。无论无论是是量子计算机量子计算机、光子计算机光子计算机还是还是DNADNA计算机计算机，从，从现在来看，都不能完全解决电子计算机的制造工现在来看，都不能完全解决电子计算机的制造工艺的极限。艺的极限。展望展望人类智慧人类智慧 回望历史，每一次遇到文明进步中的阻碍回望历史，每一次遇到文明进步中的阻碍时，人类智慧总能带来革命性的惊喜。蒸汽机时，人类智慧总能带来革命性的惊喜。蒸汽机将人类带入了蒸汽时代也带入了将人类带入