清华科史哲讲座第36讲纪要:李铁夫,“芯片技术——从摩尔定律到量子计算”

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2020年11月6日下午,清华大学科学史系邀请校内微电子所副研究员李铁夫老师,作题为《芯片技术——从摩尔定律到量子计算》的讲座。

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李铁夫老师作讲座

本次讲座的主题可以用三个问题概括:什么是计算?什么是芯片?什么是量子?

对第一个问题,李老师回顾了历史上的算术和对应的简单机械、机械计算器及其顶峰之作——巴贝奇的差分机,在此基础之上,给出了问题的一个回答:计算就是一个物理系统的状态演化。因此,物理系统的性质,决定了他的计算能力。机械系统的计算能力受制于机械的最高频率,继电器虽然使用电控制,但由于其中有从电到机械、再从机械到电的转换过程,其最高计算速度仍受制于机械部件的运动速度。而半导体材料的使用,使得纯粹地使用电控制电成为可能。

对于第二个问题,李老师给出的答案是:“芯片=半导体+集成电路”。在这里电的使用是必要的,但不是充分的,如上所述,半导体的使用才是根本。集成电路的思想,这使得传输快、面积小、良品率高、成本降低等诸多优越特性同时实现成为可能。其实人们所熟知的摩尔定律,其实只给出描述或者说预测,如何实现,则要靠登纳德定律的指导:各个部件的尺寸按照1/√2的比例缩小,就能实现摩尔定律所言的性能翻番。李老师还举出美国打压日本半导体发展的例子,藉以说明国家发展扶持芯片产业的重要性。有人或许会说,随着芯片尺寸做到极限,摩尔定律可能失效,芯片的发展也就到头了,对此李老师给出了他的回应:芯片技术还将繁荣发展100年。一来是芯片性能的提高不止缩小尺寸这一条路可走,SoC(System on Chip,系统单芯片)、SiP(System In a Package,系统级封装)、人工智能模块等方法都可以提升。但是,正如当年巴贝奇极力改进的差分机也不能达到当下计算机的水平一样,我们需要突破原有的物理系统。而量子系统具有远超电子系统的计算能力。

什么是量子?李老师总结到:量子是一种世界观,之前在经典世界观中,对物体的互斥式的认识,到量子世界之后,就变为互补式的认识了。人们在认识量子世界的过程中有两次量子革命,第一次是在宏观世界发现异常的现象需要用量子理论来解释,这时对于使用者来说,尚不需要弄清量子理论。而第二次量子革命也就是当下,从理解量子现象到掌控量子现象,人们能更好地利用量子。量子计算的优越性已有数学证明,量子算法也在推进,但目前最关键的一点是在于:找到一个优越的物理系统来实现量子体系。目前的方案有光子、束缚离子、量子点等,也可以是芯片,这就是量子芯片。在芯片领域人类已经取得的优势巨大,有丰富的经验技术、配套的产业。李老师总结到:量子芯片不仅是量子技术的一个未来方向,也是芯片技术的新的可能突破的点。

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司宏伟博士后作讲解

报告结束后,与会的线下线上师生纷纷向李铁夫老师提出了自己关心的问题,我系胡翌霖老师关心如何通过量子状态的观测得出量子计算的结果的问题,李老师回答:需要算法设计,如果是单结果问题,则需要使正确结果对应的量子态可能性最大;如果是得到分布型的答案,则需要重复观测。我系吴国盛教授在线上提问,中国科学技术大学的潘建伟教授的实验对于量子理论的检验性问题,李老师给予肯定性的回复。我系司宏伟老师询问量子领域中国在世界同行中的水平如何,李老师言道中国目前做的很好。我系于丹妮同学提问量子芯片技术的应用领域和伦理问题,引发了在座各位的热烈讨论。我系杨舰教授指出中国目前的 “卡脖子”问题,因而有一个能否绕过芯片,实现弯道超车的可能性的问题,李老师坦言这的确是中国技术发展上的一个路径,但同时也表示在没有看到明显可能性之前还应该夯实技术基础,稳扎稳打。线上的老师同学也提出了自己关心的问题。

讲座结束后,与会师生在讲座后一同参观清华大学科学博物馆(筹)举办的神机妙算——计算器具历史展。

杨啸供稿

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  • 本文由 发表于 2020年11月10日 14:30:46
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