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梁國源專欄:量子電腦將成ICT產業救世主?

2019-03-11 07:00

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台積電創辦人張忠謀曾於二○一七年指出,摩爾定律(Moore

台積電創辦人張忠謀曾於二○一七年指出,摩爾定律(Moore's Law)最多只能再撐十年左右。這是否意味著台灣引以為傲的半導體產業,將面臨技術發展盡頭的巨大挑戰?(資料照,蔡親傑攝)

當電晶體尺寸愈做愈小,伴隨著電晶體漏電現象出現,晶片功能和效率大打折扣。同時微縮讓IC晶片製造過程愈見複雜,成本不斷墊高。所幸量子電腦讓ICT產業有新的生機。

台積電創辦人張忠謀曾於二○一七年指出,摩爾定律(Moore's Law)最多只能再撐十年左右。這是否意味著台灣引以為傲的半導體產業,將面臨技術發展盡頭的巨大挑戰? 

簡單地說,多年來全球半導體業者收縮物理尺寸及製造更複雜積體電路的「軍備競賽」,與摩爾定律、登納德定律(Dennard's Law)及羅克定律(Rock's Law)等三大定律有關。摩爾定律即指IC晶片所含的電晶體數目每十八個月至二十四個月將增加一倍;登納德定律係指隨著電晶體的尺寸縮小或比例縮減,其功耗和成本也會降低,且運行速度加快;被稱為摩爾第二定律的羅克定律則是指半導體製造廠的建置成本每四年翻一倍,半導體製程愈趨先進,資本投入也會呈現比例增長。

然而,當電晶體的尺寸愈做愈小,使其受到物理法則的限制,即量子穿隧效應(quantum tunneling effect)開始慢慢介入,伴隨著電晶體漏電現象出現,讓晶片功能和效率大打折扣,打破了原先摩爾、登納德定律。同時微縮愈來愈困難,IC晶片製造過程也愈見複雜,使設備的投資成本不斷墊高。據悉,一五年時一座半導體製造廠的建置成本已高達一四○億美元。如此高昂的造價,使半導體業者終將面臨資本投入的可負擔極限。

所幸量子電腦(quantum computer)的出現,讓資通訊產業(ICT)產業發展有了新的典範與生機。量子電腦的概念乃延續物理學家費曼(Richard Feynman)將量子體系用於運算的想法,且有別於傳統電腦採取○與一的二進制,量子電腦使用有疊加特性的「量子位元」(qubit)為計算單位,可以分組聚合、一次同步計算各種可能性,讓運算能力大幅提升。

例如未來網路通訊、無人駕駛汽車都能藉由量子運算系統,因應各種即時狀況,快速地處理資料;在新藥研發方面,各種化學成分間的組合交錯,以及可適用於何種疾病,也能藉由量子電腦的高速運算,大幅縮短研發時間。此外,量子晶片的發展,更能讓人工智慧(AI)大步跨入行動化與生活化領域。

世界首台超越早期經典電腦的光量子電腦在中國誕生(新華社)
世界首台超越早期經典電腦的光量子電腦在中國誕生(新華社)

只是量子計算技術雖替ICT產業指出一條後摩爾時代的生路,但量子電腦組件易受到熱能、電磁輻射等干擾,穩定性仍不足,目前只能在絕對零度(負二七三℃)環境運作。即使近期IBM已研發出五○量子位元的量子電腦,但要能普及應用恐怕還有一段不短的路要走。

台積電創辦人張忠謀曾於二○一七年指出,摩爾定律(Moore's Law)最多只能再撐十年左右。這是否意味著台灣引以為傲的半導體產業,將面臨技術發展盡頭的巨大挑戰? 

簡單地說,多年來全球半導體業者收縮物理尺寸及製造更複雜積體電路的「軍備競賽」,與摩爾定律、登納德定律(Dennard's Law)及羅克定律(Rock's Law)等三大定律有關。摩爾定律即指IC晶片所含的電晶體數目每十八個月至二十四個月將增加一倍;登納德定律係指隨著電晶體的尺寸縮小或比例縮減,其功耗和成本也會降低,且運行速度加快;被稱為摩爾第二定律的羅克定律則是指半導體製造廠的建置成本每四年翻一倍,半導體製程愈趨先進,資本投入也會呈現比例增長。

然而,當電晶體的尺寸愈做愈小,使其受到物理法則的限制,即量子穿隧效應(quantum tunneling effect)開始慢慢介入,伴隨著電晶體漏電現象出現,讓晶片功能和效率大打折扣,打破了原先摩爾、登納德定律。同時微縮愈來愈困難,IC晶片製造過程也愈見複雜,使設備的投資成本不斷墊高。據悉,一五年時一座半導體製造廠的建置成本已高達一四○億美元。如此高昂的造價,使半導體業者終將面臨資本投入的可負擔極限。

所幸量子電腦(quantum computer)的出現,讓資通訊產業(ICT)產業發展有了新的典範與生機。量子電腦的概念乃延續物理學家費曼(Richard Feynman)將量子體系用於運算的想法,且有別於傳統電腦採取○與一的二進制,量子電腦使用有疊加特性的「量子位元」(qubit)為計算單位,可以分組聚合、一次同步計算各種可能性,讓運算能力大幅提升。

例如未來網路通訊、無人駕駛汽車都能藉由量子運算系統,因應各種即時狀況,快速地處理資料;在新藥研發方面,各種化學成分間的組合交錯,以及可適用於何種疾病,也能藉由量子電腦的高速運算,大幅縮短研發時間。此外,量子晶片的發展,更能讓人工智慧(AI)大步跨入行動化與生活化領域。

只是量子計算技術雖替ICT產業指出一條後摩爾時代的生路,但量子電腦組件易受到熱能、電磁輻射等干擾,穩定性仍不足,目前只能在絕對零度(負二七三℃)環境運作。即使近期IBM已研發出五○量子位元的量子電腦,但要能普及應用恐怕還有一段不短的路要走。

*作者為專欄作家,本文原刊《新新聞》1670期,授權轉載。

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