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經典電子計算機的極限
2015年,經典電子計算機如日中天,類腦電子計算機方興未艾,并行量子計算機前途無量,類腦量子計算機初現曙光,超人腦智慧結構悄然孕育。曾大江認為超人腦智慧結構是人腦、電子計算機和量子計算機的共同終點,也是人類文明實作永恒的起點。未來的電子計算機将使用三種架構的處理器:經典架構的處理器、類腦架構的處理器和混合架構的處理器。未來的量子計算機也将使用三種架構的處理器:并行架構的處理器、類腦架構的處理器和混合架構的處理器。本文要探讨的是經典電子計算機的極限。
截至2014年14納米桌面CPU、16核伺服器CPU和1024位GPU已經上市,液氮超頻達到8.7GHz,450mm晶圓工廠正在建設。在實驗室中,S半導體的開關速度可達10GHz,240nm石墨烯半導體的開關速度可達100GHz,矽鍺半導體的開關速度可達350GHz,12.5nm磷化铟和***化铟镓半導體的開關速度可達845GHz,50nm石墨烯半導體的開關速度可達1THz,數萬個1.4nm寬30nm長的碳納米半導體構成的晶片已經實作。這說明經典電子計算機還有很大的發展空間。最小線寬、晶圓直徑、主頻、核心數量、位寬和經典超級電子計算機的運算速度是衡量經典電子計算機發展狀況的6個關鍵性名額,而類腦電子計算機和量子計算機的發展狀況是影響經典電子計算機未來的兩個關鍵因素。是以,曾大江認為線寬、晶圓、主頻、核心數量、位寬、經典超級電子計算機的運算速度、類腦電子計算機和量子計算機的發展是描述和決定經典電子計算機未來的發展狀況的八個基本要素。基于對這八個基本要素的分析和假設,曾大江提出
經典電子計算機“八要素假說”:
1、假設線寬再減小10倍耗時16年,2030年經典半導體工藝達到實體極限1納米;
2、假設2020年之後,核心數量平均每2年增加一倍,2040年多核CPU達到晶圓極限16k核;
3、假設晶圓更新換代的平均時間為14年,2045年晶圓達到成本極限800mm;
4、假設主頻提高10倍平均耗時12年,2057年桌面CPU主頻達到商用極限10THz;
5、假設2031年之後,桌面CPU的位寬平均每2年增加一倍,2073年高位CPU達到市場極限1G位;
6、假設經典超級電子計算機的運算速度每10年提高1000倍,2088年經典超級電子計算機達到實際極限每秒1039次。
經典電子計算機的極限就是由若幹顆1納米1G位16k核10THz經典架構CPU構成的運算速度為每秒1039次的經典超級計算機,這個極限将在2088年達到。
2030年經典半導體工藝達到實體極限1納米
在單晶矽中,每個矽原子都與相鄰的4個矽原子用共價鍵形成一個正四面體,共價鍵的鍵角是109度28分,每個矽原子都位于這個正四面體的中心。兩個相鄰的矽原子相距0.246nm,三個相鄰的矽原子在一條直線上投影出三個點ABC,其中AB相距0.246nm,BC相距0.085nm,AC相距
0.341nm。是以,1nm的直線上有6個矽原子的投影點。在1nm的尺度上量子效應已經比較顯著了,但通過技術創新,把經典半導體工藝延續到1nm尺度也是可能的。是以,曾大江認為經典半導體工藝的實體極限是1nm。
經典半導體工藝從10um到1um耗時8年,再到0.13um耗時12年,再到14nm耗時13年,即從10um到14n
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