在你的研究领域，有哪些前途无量的、将来可能获得诺贝尔奖的新兴研究？ 第1页

我从芯片/集成电路制造领域的前沿发展去回答这个问题。

芯片给人的直观感受就是小，厘米见方的面积能容得下比中国人口还多的晶体管。

80年代芯片制造工艺节点进入亚微米时代，而现在，已经进入亚10nm时代，翻译过来就是：在不到40年的时间里，我们将晶体管的尺寸缩小了至少100倍。

放在40年前，估计发明集成电路的大佬们都难以想象，摩尔定律发展了这么多年依旧还没有走到尽头。

不仅仅是在横向图案的尺寸上，在纵向薄膜的厚度控制上，现代半导体制造技术也可以实现原子级厚度的控制。

最典型的技术ALD（原子层堆积法）。你可以把这种技术想象成一层一层地堆叠原子，原则上可以实现只堆叠一层原子，在300mm直径尺寸晶圆上已经可以轻松实现。

与ALD相对应的就是ALE（原子层刻蚀），也就是只选择性地刻蚀一层或者几层原子。

这么精确地控制薄膜厚度有必要吗？当然有必要，在关键步骤的制造中，往往就是几层原子厚度，就决定了晶体管可靠性的好坏（说到这里我要吐个槽，就那几层原子的差别，害的硅厂工程师翻来覆去的更改制造方案）。可靠性（reliability）是芯片生产中非常重要的考察指标，也就是消费者理解的是否耐用。无论是横向还是纵向上的尺寸精密控制，说到底还是在摩尔定律的指挥下演进。

我在另一个回答下科普过摩尔定律，感兴趣的可以移步：

但是，摩尔定律总会有个尽头吧，尺寸再小，也小不过一个原子，所以，摩尔定律再伟大，总会有挂掉的那一天。说未雨绸缪也好，杞人忧天也罢，现在想好解决方案总比到时候空叹科技止步要好。

有的聪明人说，摩尔定律的演进是建立在硅基集成电路的基础上，如果能够找到一种炫酷吊炸天的材料，替代硅晶材料就能让晶体管性能继续提升——比如碳纳米管。

碳纳米管原子量级的管径保证了器件具有优异的栅极静电控制能力，更容易克服短沟道效应。而多个理论研究也表明，碳纳米管器件相对于硅基器件来说在速度和功耗上具有5-10倍的优势。

本来，对碳纳米管这种备受“生化环材”等专业热炒的概念材料，我是不屑一顾的，但是，比较打脸的是，2019年夏天，MIT和企业Analog Devices合作，在《Nature》上搞了一个大新闻。他们真的利用碳纳米管制作了一个微处理器芯片，它竟然成功执行了显示“Hello World”的经典程序。

这个研究工作的重大意义在于，它证明了碳纳米管芯片的制造是与现有半导体产业硅基晶圆生产线是兼容的，且生产出的芯片是可用的。

从制造工艺步骤和执行的命令来看，这个微处理器芯片仅仅是最初级的低端芯片，但毕竟还是让人看到碳纳米管芯片规模化生产的曙光，科学意义足够重大。

如果说碳纳米管给硅基集成电路带来的是一场地震的话，那么另外一些人提出的idea——则有可能会革掉集成电路的命——集成光路。

在集成电路中，电是信息的载体，具体来讲来就通过晶体管中电子的通断来实现运算。而集成光路，就是以光作为信息载体，来实现运算功能。

这个视频向我们描述了“集成光路”有多么美好：

事实上，在80年代末期的时候，光学运算元件的体积、速度和功耗是可以和电晶体管媲美的。但是在接近2000年的时候，电晶体管一骑绝尘，取得了长足的进步，把光学晶体管远远地甩在了身后。

但是光运算没有消亡，随着摩尔定律逐步放缓，科学家们又想起了前任的美好，光运算的研究在2010年前后开始复苏。

经过几十年的碰壁与积累，业界逐渐认识到，让光运算完全取代电运算是不切实际的。应该让光运算去做电运算不擅长或者无法做到的事情，比如光互联。

随着现代芯片工艺的金属互连线之间的间距和尺寸的减少，从而引入的更大的电阻和电容，会限制数据的传输速率，这就成为了数据传输与处理速度的一个瓶颈，核间、芯片之间的数据传输同样如此。如果采用光互联，则有望实现高速、低功耗。

光互联技术，可以简单理解为，把金属导线结构制作成类似“光缆”的微型通道，并结合一些简单的光学调制转换和运算模块，利用光线实现超高速信号传输。

2015年的时候，美国几个藤校的大牛在《nature》上撰文，证明了光运算/光互联元件可以和电子晶体管集成到同一颗芯片上。这种利用IBM的45nm晶圆产线制作的光电集成芯片，包含了850个光学器件和7000万个晶体管。利用光互联，它可以实现片上信号处理模块与存储模块的数据传输。

这项前沿研究清晰地传达了这样一个信息：高集成度的光电集成芯片完全是可行，且它的制造工艺和当今硅晶半导体工业是高度兼容的。

回到题主的问题。

摩尔定律肯定会终结，任何能让摩尔定律持续延伸20-30年以上，或是从根本上革新了芯片工作原理、颠覆性地提高了芯片性能的研究，都是前途无量、功德无量的。

参考文献：

1. Hills, G.; Lau, C.; Wright, A.; Fuller, S.; Bishop, M. D.; Srimani, T.; Kanhaiya, P.; Ho, R.; Amer, A.; Stein, Y. Modern microprocessor built from complementary carbon nanotube transistors. Nature 2019, 572 (7771), 595.

2. Sun, C.; Wade, M. T.; Lee, Y.; Orcutt, J. S.; Alloatti, L.; Georgas, M. S.; Waterman, A. S.; Shainline, J. M.; Avizienis, R. R.; Lin, S.et al. Single-chip microprocessor that communicates directly using light. Nature 2015, 528, 534.

3. Soref, R. The past, present, and future of silicon photonics. IEEE Journal of selected topics in quantum electronics 2006, 12 (6), 1678.

4. 侯杰. 硅基可重构全光运算芯片研究[D].华中科技大学,2018.

1. 量子计算

量子计算是目前很多国家和很多科技公司做了很大投入的研究领域。

量子计算这个概念在很久以前由 Benioff 以及著名物理学家费曼提出，这个领域从 90 年代开始，有了很多理论研究。

量子计算的根据是量子态可以在叠加态中演化，从而同时进行并行计算。计算机的开与关的这种状态，被推广到任何开与关的叠加态，这些态原则上有无数个。因此，量子计算是效率极高的计算方式。

一旦通用量子计算机被实现，人类的计算能力将极大地提高，人类的智能机器将会变得不可思议，可以预见，人类将进入新的一次工业革命。

目前，实现量子计算的手段有光子、离子阱、原子核态等方法，很难预言哪一种手段最先获得成功，也许最先成功的手段目前我们还不知道。

2. 暗能量

暗能量是基础物理学两大疑难问题之一。宇宙中的能量大约 70% 来自于暗能量，但是我们还不知道暗能量的起源是什么。

暗能量看上去占宇宙能量的大部分，但宇宙中的能量密度平均下来并不大，只有每立方米几个质子的大小，这样，暗能量密度也很小。

暗能量从哪里来的？目前有成千上百个理论，包括我自己也有一个理论，全息暗能量模型。按照宇宙全息原理，我们所在的宇宙就像全息相片一样是二维的。可观测的宇宙有一个隐藏的全息屏幕，半径最大不会超过 500 亿光年。按照这个原理，占宇宙组成 76% 的暗能量，很可能起源于这块宇宙全息屏幕之内的量子涨落，而量子涨落导致熵增大，宇宙的各种物质被一种看不见的力所「撕扯」。

但到底哪个理论是正确的？或者，正确的理论还没有找到？这需要未来的天文学观测来判定。今后 5 年到 10 年，有不少大型天文学仪器将进入工作阶段，因此，我对暗能量这个难题的解决比较看好。

也不能排除实验室观测暗能量的可能性。

当然，也许暗能量这个难题的解决需要很长很长时间，但一旦得以解决，基础物理学将发生革命。

3. 暗物质

暗物质是另一个基础物理学疑难问题。几乎可以确定，每个星系、每个星系团中，可见物质比暗物质少得多。

但暗物质的本质就是不发光，除了产生万有引力，也不参与已知的物质之间的作用。因此，探测暗物质虽然进行了很多年，我们仍然不能确定暗物质到底是什么。

也许需要几年，也许需要一百年，人类才能确定暗物质到底是什么。

关于世界还有很多未解之谜需要我们去发现，当然也需要一些专业的物理知识，如果你对世界充满好奇，想要知道更多，不妨来听听我的知乎私家课《淼懂物理学：理解世界的极简指南》https://www.zhihu.com/remix/albums/1023197334380855296