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计算机的极限在哪里?

计算机的极限在哪里?

作者:澳门新萄京    来源:未知    发布时间:2020-01-22 02:44    浏览量:

问题:计算机的极限在哪里?

姓名:王紫圣      学号:16130140355

问:未来台积电的工艺达到1纳米的话,那么是不是1纳米就算封顶了?手机性能上不去了吗?

回答:

转载自:原创  道法自然 原理

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现在说到计算机的极限,大家就会不约而同地会指CMOS集成电路的相关极限,如沟道尺寸和时钟频率等方面已达到极限。早在十几年前,国际半导体路线图就预测传统集成电路的工艺尺寸达到10nm时,流过沟道的电子会发生量子隧穿效应。本来在这个尺度电子数目就少,少数电子的行为足够影响元器件的电气性能,因此元件的可靠性会下降。但是高K栅技术的发明现在已经使工艺尺寸到达了7nm,再往下发展真的很难了。另一方面,时钟频率的提高也早已停滞不前。观察计算机主频你会发现这一点。在如此小的芯片上集成指数增长的元件,如果运算速度再高的话,芯片的散热成了问题,芯片的温度会达到无法工作的高度,这也是限制传统集成电路进一步发展的重要因素。

【嵌牛导读】原理计算机文化系列用前几期的文章介绍了计算机的起源。在介绍计算机各个分支的发展之前,笔者希望在接下来的几期里和大家共同探讨计算机极限这一个话题。《自然》期刊在2014年刊登了一篇Igor Markov的文章“Limits on Fundamental Limits to Computation” [1]。我们将以此文为基础并综合各方面论文,在接下来几期时间里每期介绍一个计算机领域里的金科玉律,在工程,功耗,时空概念,复杂理论及新兴技术这五个方面探讨计算机的极限以及面对这些极限计算机科学家们所采取的措施。今天,我们先从工程方面讨论。

居然还有人傻不拉几的洋洋洒洒几千字配着图论述工艺到1nm以下,实在是不忍直视。

为了延续集成电路的发展,对新型逻辑电路的研究在全世界范围内早已启动。新逻辑电路的形态有很多,比如量子点逻辑电路、分子电子学逻辑,自旋逻辑电路、各种各样的纳米尺度的磁逻辑电路等等,不一而足。这些逻辑电路都采用不同的电学或磁学性质表征二元逻辑,取代了传统电路用电压高低电平表示0和1。各种新逻辑电路都有了不同程度的发展,到目前和传统CMOS电路相比,都有潜在的巨大优势,但多少都有不好克服的困难。很难说,这青黄不接的时期要经历多久。但是大致发展的方向应该是没问题的,因为电学性质相对磁学性质来说,前者往往处在更大的一个尺度上,而后者则是电子更微观的性质,比如磁性力的来源就有电子自旋耦合、电子轨道耦合等。

【嵌牛鼻子】计算机在性能方面的极限

首先简要说明一下FinFET工艺实现商用的背景,这项技术是一个阶段性分水岭,出现在16/14nm节点。主要是因为之前的20nm节点惨不忍睹,因为在这种微观尺度上,已经受到了明显的量子隧穿效应影响,微观尺度的电子具有波动性质,能够展示出隧穿行为,大量的电子根本不会沿着你在硅晶上雕刻的微观电路走,从宏观上来看,就是你这块CPU漏电了,你加再高的电压,CPU性能都没有得到多少提升,白白浪费了电流。

道路是光明的,发展是曲折的,未来是光明的。

【嵌牛提问】计算机是人造物,那么他的极限由什么决定?

在这种前提下,你制程工艺越小,微观尺度的影响越大,量子隧穿效应越明显,制程带来的性能提升越小,由于芯片面积减小发热更集中,在这个时候,制程进步已经是一个死局了。所以只好在16/14nm节点引入了FinFET工艺,强行中和了制程缩小带来的副作用。

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图片 5 回答:

【嵌牛正文】从1958年第一个仅包含一个双极性晶体管的集成电路问世到如今集成十几亿晶体管的处理器芯片,集成电路在近六十年的时间里发展迅速。我们现在用的手机的性能也已经相当于30年前的 Cray-2 超计算机了,然而手机的功耗却只有Cray-2的十万分之一,价格更是被降到大多数普通人能接受的程度。如此巨大的发展速度的背后是什么规律呢?30年后我们也能每人手里拿个天河2号吗?要说清楚这个问题我们就不得不提到芯片产业最著名的金科玉律——摩尔定律。

但是这治标不治本,量子力学是现代物理学三大基石之一,只要你制程越来越小,你就永远逃不出他的魔爪,而且制程越小受到的影响越大,这是宇宙决定的。在5nm制程附近,就会遇到严重的经济性问题,即制程缩小已经无法带来优异的半导体物理属性,更别说什么1nm以下了,除非你强行扭转物理定律,否则在这个尺度,无论你是用硅还是什么牛逼材质,电子一视同仁,根本不会鸟你的电路。未来相当长一段时间的芯片不会依靠缩小制程来提升性能,需要依靠的是降低成本,改进工艺,扩大规模,优化架构。

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