量子技术制造芯片可以吗?

  • A+
所属分类:知识百科
摘要

日前,华为被美国无端打压、断供,引发了人们对中国芯片制造的关注,希望我国能尽早用先进的量子技术来制造芯片,打破美国的封锁、走出困境。其实,量子技术依赖的是物理学,而不是数学。它是基于光子的应用,和它们周围有的量子属性来作为最有前途的、高带宽通讯介质和信息载体,与芯片的制造、功能、作用方向都不一样。首先,依据量子物理基本原理,整个世界就是由量子组成。因为所

日前,华为被美国无端打压、断供,引发了人们对中国芯片制造的关注,希望我国能尽早用先进的量子技术来制造芯片,打破美国的封锁、走出困境。

其实,量子技术依赖的是物理学,而不是数学。它是基于光子的应用,和它们周围有的量子属性来作为最有前途的、高带宽通讯介质和信息载体,与芯片的制造、功能、作用方向都不一样。

首先,依据量子物理基本原理,整个世界就是由量子组成。因为所有的基本粒子,包括电子、光子都是量子。而其中的单光子具有不可分割性和量子态的不可复制性,所以能在密钥分发时,保证信息的不可窃听和不可破解,有较高的安全性。

但如用量子技术制造芯片,需对光子进行分割,植入数据、信息和运用的算法,使之集成模块或模组。这在理论上行不通、技术上亦做不到。所以,用量子技术制造芯片还比较遥远。因为“理想很美好、技术很骨感”。

其次,量子技术目前主要使用的是超导材料。使用时要对量子处理器采取严格措施进行屏蔽,防止“消相干”。而制造芯片,需用特定设备将几千万个、甚至上亿个微电子植入特殊材质制成的模片内进行矩阵设置,相互连接后发挥存储、运算功能,目前现有的技术还无法做到这种“消相干”的要求。

还有,量子技术虽然采用并行计算、並以指数形式存储数字,还可同时进行计算、分析,并确保运算具备精准性。但这种量子技术是以所谓的“叠加态”出发来求解问题,利用量子纠缠和量子干涉的性质,使量子演化到我们所需的正确答案。

如用量子技术制造芯片,会使量子这种特性丧失。故在现有技术条件下,无法使量子固化来制造芯片。

随着拓扑物态理论和材料的逐步应用,从理论上说,不久的将来用量子技术制造芯片,或许也有可能。

因为量子技术在所有创新技术中,可能性是最丰富的,前途不可限量。因为:“谁也无法预测会发生什么”。

量子技术制造芯片可以吗?

这个问题问得很好,因为这说明了我们的教育实在是太不给力了,这么基本的问题都没有说明白。这里我给您做出非常肯定的回答——目前所有的芯片都是采用量子技术制造的。在可以预见的未来,不论采用什么材料,同样是用量子力学来设计制造新的芯片。

芯片的发展经历了晶体管、集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路等几个阶段,其中晶体管是最最基本的电路单元。晶体管就是利用量子力学原理制造的。为了说明这个问题,下面老郭带您亲手做一个发光二级管,并解释其中的量子力学原理。

一、LED发光二极管的原理

电炉子通电后是可以发光的,同时发出热量。LED发光二极管的原理与电阻丝不一样,它不是利用热效应发光,而是通过电子在不同能级之间的跃迁来发光。能级、跃迁都是量子力学中的物理概念。

在量子力学中,原子核外的电子处于不同的能级上,当电子从高能级跳跃到低能级的时候,它就会释放出相当于这两个能级之间能量差的光子,并满足能量守恒定律。

当我们把很多个同样的原子排列在一起,组成一个半导体晶体的时候,单个原子中的外层电子会受到其它原子核的影响,使得它们的能级自发地分成两组,这些新形成的能级被称为“能带”。

其中能量较低的能带被称为“价带”,能量较高的能带被称为“导带”,通常导带是空空如野的。在两个能带之间,有一个非常关键的空隙,叫做“能隙”或者叫做“禁带”。在禁带中没有任何能级,也就是说,电子不能待在这里。

由于禁带的存在,位于价带的电子想要到达导带就是一件很困难的事情,这需要电子从外界获取能量。

如果我们需要这个半导体发光,就需要电子从导带跃迁到价带,由于能量守恒,电子就会释放出光子,这个能量等于能带的宽度。

为了把电子提升到导带上去,就需要在半导体中掺入一些物质,这个工艺叫做“掺杂”。比如我们往纯净的硅中掺入一点磷,这些原子比硅多出一个最外层电子,所以当它们取代了一些硅原子之后,晶体中就会多出一些自由电子来。

这些自由电子由于价带已经满了,根据泡利不相容原理,每个能级只能容纳两个电子,所以只能移动到导带。这种半导体叫做N型半导体,因为电子带负电。

另外一种半导体是P型半导体,同样是采用掺杂的手段,比如加入铝或者硼这种外层电子比硅少一个电子的原子,这时候就会制造出一个电子的空穴出来。空穴等效于带正电的粒子。

当我们把这两种半导体紧密贴在一起时,N型半导体内的电子就可以补充到P型半导体的空穴中,就可以发光了。

但是这种发光如果没有能量的补充是不能持续的,一旦两种半导体中的电子和空穴都用完了,就会形成一个所谓的“耗尽层”。这个层会阻碍N型半导体中的自由电子进入P型半导体的空穴与之复合。

为了能够让这个新的半导体持续发光,我们需要将N型半导体接到电源的负极,把P型半导体接入到电源的正极,这样,在电源的驱动下,这个新的半导体,即LED发光二极管就可以持续工作啦。

二、亲手制作一只发光二极管

我们需要的材料是,一个可以调节电压的直流电源、两根铜导线、一块碳化硅矿石。这些东西某宝上都有卖的。

当一切准备齐全之后,我们把矿石用导线接到电源正极上,另一根导线接到电源的负极上,调整电源电压为10伏以上,用负极铜导线接触矿石的表面。

操作的时候需要注意的是,只有矿石上少数地方能发光,有些特别光滑有彩色的地方不能发光,因为那些地方覆盖着一层二氧化硅薄层,不导电,从而阻碍了发光二极管的形成。

这样操作的碳化硅矿石之所以能够发光,是因为在矿石中还有很多铝和铁的杂质,这些杂质使得矿石中有很多空穴形成。所以碳化硅矿石可以看做是一个P型半导体。而铜导线虽然没有能隙,所有的能级都是紧密靠在一起的,没有导带和价带的分别。但铜里面有很多自由电子,所以我们把铜线看做一种特殊的N型半导体。

当铜导线中的电子,在电源的驱动下,进入到碳化硅矿石中时,电子就与矿石中的空穴产生复合,从而发光。发光的点就在铜线与矿石的接触点位置。

结束语

集成电路(芯片)中的每一个小单元都是一个二极管,每个二极管的工作原理都与我们亲手制作的那个发光二极管的原理类似,都是在量子理论的基础之上研发出来的产品。

不仅芯片的原理是基于量子力学,即使是芯片的加工制作工艺(曝光和掺杂)同样是基于量子力学原理来自作的。

如果您有兴趣按照前面介绍的方法制作一个LED发光二极管,你就会发现,其实量子力学就在我们身边,它并不是遥不可及的空中理论,而是实实在在的身边科学。

我是郭哥聊科学,欢迎点赞、评论、转发和关注支持。

理论上说是可以的。上世纪80年代,量子计算理论就被论证了。但是能不能造出来或者什么时候造出来,这个就很难说了。从理论到产品,这个中间隔了一个银河系,比方说用什么材料,还是用半导体吗?半导体是实现量子计算最优的材料吗?这个加工工艺是什么样的?量子芯片计算是快,但是用什么方法把数据快速送入芯片里呢?是用现在这种计算机架构还是需要一种完全不同的计算机架构呢?在实际应用中有什么影响因素,这些影响因素会导致什么问题?如何规避可能的问题?

人类进入了量子误区,走入了量子歧途,量子的本质特点就是不确定性,即测不准原理。量子领域是属于超现代科学的特异领域,箱子里既死又活的薛定谔的猫的死活是由开箱者的状态随机决定的,所以特异功能研究一直不能取得稳定的结果。量子计算机恐怕最终也是海市蜃楼。

可以

量子技术处于研发阶段,真正应用于实际还为时过早

我认为不可以,因为量子技术总体属于物理化学范畴,芯片制造技术属于机械材料类,两者交集很少。

芯片制造没有想象中的那么难,制造攻破核心技术就能实现国产自主化。

芯片制造中四大核心技术:CMP抛光液技术、CMP抛光垫技术、光刻胶技术、光刻机技术

到目前为止,只有前两个核心技术的国内企业已经攻破技术壁垒,实现了国产化;后面两个核心技术还有待突破。

芯片的制造工艺,分为两道工序:晶圆制造工序和在晶圆上光刻集成电路图工序。

晶圆制造工序的核心技术是CMP抛光液技术和CMP抛光垫技术

晶圆制造工序,分为7个工序:扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、化学机械抛光(CMP)、金属化。

CMP工序是通过机械研磨技术与表面化学作用相结合,使晶圆表面达到纳米级的平坦效果,这样才有利于下一步光刻集成电路图工序顺利进行。

CMP抛光液的性能,决定了晶圆表面质量。CMP抛光液由研磨材料(常用的有纳米级Al2O3粒子和纳米级SiO2粒子)、PH调节剂、稳定剂、氧化剂、成膜剂,和具有腐蚀溶解作用的表面活性剂等组成。

CMP抛光液对晶圆表面的作用机理,分为机械作用机理和化学作用机理。

机械作用机理

CMP抛光液中的研磨材料对晶圆表面材料进行研磨去除,同时抛光液具有润滑和降温的作用。研磨下来的晶圆表面材料随着抛光液流走,能有效避免划伤晶圆表面。

化学作用机理

抛光液中具有腐蚀作用的表面活性剂,会与晶圆表面材料发生轻微的化学反应,使晶圆表面材料软化。在机械作用的协同下,磨去晶圆表面的材料。

在晶圆上光刻集成电路图工序核心技术是光刻胶技术和光刻机技术。

光刻胶是一种对光敏感的高分子化合物,当被X射线、紫外光等光源照射时,就会发生相应的化学反应的蚀刻材料。

光刻胶,由光引发剂(包括光增感剂、光致产酸剂)和光刻胶树脂、单体、其他助剂组成。其中光引发剂和其他助剂占15%,光刻胶树脂占50%,单体占35%。

目前光刻胶从应用方向分为:LCD光刻胶、PCB光刻胶、半导体(芯片)光刻胶,前两个基本国产化,半导体(芯片)光刻胶技术要求较高,目前相关技术与国外还有很大差距。

光刻胶使用工艺流程

1.光刻胶涂布到晶圆表面前,先用氢氟酸、甲醇、双氧水等溶剂对晶圆表面清洗。

2.清洗后,在晶圆表面涂上一层光刻胶,烘干后放到光刻机里。掩模板与晶圆对准,然后进行曝光,就是光照。

掩模板上分为图形区和没有图形的空白区,当光通过掩模板照射过去时,经过掩模板图形区域的光被图形遮挡了,照不到图形下面的光刻胶。

可以这么理解,把掩模版看作一块涂有黑色图形的玻璃,当阳光照到玻璃上时,照到图形上的阳光透不过黑色图形。

经过空白区域的光,因为没有图形遮挡,直接透过空白区,照到了下面的光刻胶,这些光刻胶被光照后,会发生交联、聚合、分解等化学反应。

3.经过曝光后,再经过显影,显影液就会选择性地与被光照的光刻胶发生反应,这部分光刻胶就会溶解于显影液中。

4.再进行烘干,此时没有被光照过的光刻胶就形成了掩模版上的图形。

5.蚀刻,所用蚀刻液会与没有光刻胶覆盖的晶圆表面发生轻微的反应,有光刻胶覆盖的晶圆表面接触不到蚀刻液不会发生反应。

打个比方,把晶圆表面看作晒谷场上的谷子。下雨了,有棚子遮盖的谷子就淋不到雨,棚子就是光刻胶。

6.去除剩下的光刻胶,此时光刻胶下面没有被蚀刻的晶圆表面就形成了掩模版上的电路图。就像上一个比方,当雨停了,把被雨淋到的谷子铲走,把雨棚撤掉,雨棚下没有淋湿的谷子就是拉开雨棚时的样子。

好比把一个碗按在头上理发,等理完发,把碗拿掉;此时的发型就是一个碗口形状。

解析家居用品的化学材料

发现不同材料的用品特点

让购物者多一些参考依据

欢迎关注,留言,分享。

搞事情!那些不能说的秘密都在这里   关注公众号:ONE知识  

         

  • 我的微信
  • 这是我的微信扫一扫
  • weinxin
  • 我的微信公众号
  • 我的微信公众号扫一扫
  • weinxin
avatar

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: