硅，作为过去几十年半导体产业的基石，成就了我们今天的数字世界。从电脑到智能手机，再到无处不在的物联网设备，硅基芯片的身影随处可见。然而，随着技术的飞速发展，“摩尔定律”的魔力逐渐减弱，硅材料的物理极限日益显现，我们正站在一个关键的十字路口，需要思考：当硅不再“够用”时，未来的计算将依靠什么？

辉煌的“硅时代”：为何能独领风骚？

想象一下，半导体就像是信息流动的“管道”，而硅就是构建这些管道最合适的材料。硅之所以能在半导体领域占据主导地位，并非偶然。首先，硅在地壳中储量丰富，主要存在于沙子（二氧化硅）中，这为大规模生产提供了物质基础。虽然沙子到高纯度电子级硅片的过程复杂，需要经过提炼、提纯和单晶生长等多个步骤，但相比其他材料，硅的获取成本相对较低。

其次，硅具有优良的半导体特性。它可以被精确地控制导电性能，既可以是导体，也可以是绝缘体，这种灵活的“开关”特性是制造晶体管的关键。同时，硅的热稳定性好，能够在较高的温度下工作。

最重要的是，人类在硅基半导体制造工艺上积累了丰富的经验。从最初的锗材料转向硅，再到如今纳米级的制造工艺，几十年来，科学家和工程师们不断挑战极限，推动着硅基芯片的性能不断提升，成本持续下降。 这种成熟的产业链和工艺积累，使得硅基芯片在很长一段时间内都保持着无可比拟的优势。

然而，就像任何事物都有其局限性一样，硅也并非完美。随着芯片上的晶体管尺寸不断缩小，已经逼近了原子级别，量子效应开始显现，导致电流泄漏和不稳定性增加。 这使得在硅材料上进一步提升性能变得越来越困难，摩尔定律的速度正在放缓。

告别“硅”？新材料的崛起

面对硅的物理极限，科学家们早已将目光投向了“后硅时代”的新材料。这些新材料各怀绝技，有望在特定领域取代或补充硅的功能。

• 化合物半导体：未来的“动力之源”

与单一元素的硅不同，化合物半导体由两种或多种元素组成，例如砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）。 这些材料拥有比硅更大的禁带宽度，这意味着它们能够在更高的温度、电压和频率下稳定工作。 特别是碳化硅和氮化镓，被誉为第三代半导体材料，它们在高频通信（如5G）、新能源汽车、高功率器件等领域展现出巨大的应用潜力。 例如，氮化镓的击穿电场强度是硅的10倍，导热系数是硅的3倍，使其成为功率器件的理想选择。 氧化镓（Ga₂O₃）作为一种超宽禁带半导体，其禁带宽度更是远超碳化硅和氮化镓，在下一代高功率器件和深紫外探测器中有巨大的应用前景。 虽然化合物半导体技术成熟度仍在提升中，且全球市场目前主要由国外企业垄断，但其独特的性能优势预示着它们将在特定领域成为硅的有力竞争者。

• 二维材料：薄如蝉翼的革命者

石墨烯、二硫化钼（MoS₂）等二维材料，只有一个原子或几个原子层的厚度，却拥有令人惊叹的电学、光学和力学特性。 石墨烯因其极高的载流子迁移率和灵活性，被视为替代硅的潜力股，尤其在柔性电子领域前景广阔。 科学家们已经在二维材料上实现了超小型晶体管，突破了传统硅基晶体管的尺寸限制。 二维黑磷作为另一种二维半导体材料，也被发现具有优于商用硅基晶体管的场效应晶体管特性，并且能隙可以通过改变层数、机械应变和压强来调控，有望在红外探测和通信等领域应用。 虽然二维材料的制备和集成工艺尚处于发展阶段，但它们为突破硅的物理极限提供了全新的思路。

• 过渡金属二硫化物（TMD）：下一代芯片的新选择

过渡金属二硫化物（TMD）是另一类备受关注的新型半导体材料。研究人员正在利用TMD而非传统的硅来研发更小、更薄、更高效的下一代芯片。 这显示出TMD在芯片制造领域的巨大潜力，有望成为硅的替代材料。

除了上述材料，碳纳米管也因其出色的导电性、高热导率和机械强度，被视为下一代芯片材料的潜力股。

不仅仅是材料：计算架构的创新

“后硅时代”的探索不仅仅局限于新材料，更包括计算架构的革新。传统的冯·诺依曼架构将计算和存储分离，数据需要在处理器和存储器之间来回传输，这限制了计算效率并增加了能耗。为了突破这一瓶颈，科学家们正在探索新的计算范式：

• 存算一体：让计算在存储中发生

存算一体技术旨在将计算单元融入存储器中，减少数据搬运，从而大幅提升计算效率和能效比。华中科技大学团队在硫系化合物相变存储器上的探索，就为存算一体架构注入了新的活力。 这种基于非晶-晶态相变原理的新型存储器能够实现高效的逻辑运算和信息处理，性能远超传统闪存，为人工智能硬件的创新提供了新思路。

• 光子计算：用光速进行计算

光子计算利用光子作为信息载体进行计算，具有并行度高、速度快、能耗低等优势。基于硅光平台的神经网络已经在人工智能计算加速方面取得进展，例如利用马赫-曾德干涉仪（MZI）进行线性计算，有望在短期内实现低功耗、高性能的计算系统，解决人工智能硬件的性能需求，并突破传统计算架构的速度和功耗瓶颈。 虽然光子计算目前仍面临一些挑战，例如单个光子矩阵运算规模较小、缺乏浮点数运算支持等，但它为未来高性能计算提供了新的可能性。

• 量子计算与类脑计算：颠覆性力量

量子计算利用量子力学的原理进行计算，有望解决经典计算机难以处理的复杂问题。类脑计算则模仿人脑神经网络的结构和工作方式，旨在构建更智能、更高效的计算系统。 这些颠覆性的计算范式尚处于早期发展阶段，但一旦取得突破，将彻底改变我们对计算的认知。

• RISC-V：开放指令集的新浪潮

RISC-V是一种开放、免费的指令集架构，为芯片设计提供了极大的灵活性和创新空间。随着人工智能时代的到来，对低功耗、定制化的计算需求日益增长，RISC-V凭借其开放性和灵活性，有望成为人工智能时代的原生计算架构。 国内一些公司正积极基于RISC-V进行芯片研发，聚焦智能终端、智能汽车和智能计算等场景，推动RISC-V架构芯片的规模化应用。

前行之路的挑战与机遇

虽然“后硅时代”的曙光已经显现，但通往未来的道路并非一帆风顺。新材料的制备、集成工艺的开发、新计算架构的设计都面临着巨大的技术挑战。将这些新技术从实验室带到大规模商业应用，需要克服材料制备的均匀性、生产良率、与现有产业链的兼容性等诸多难题。

然而，挑战中也蕴藏着巨大的机遇。新材料和新计算架构的发展，不仅将推动计算性能的飞跃，还将催生新的应用和产业。从更智能的人工智能、更高效的新能源技术，到更便捷的柔性电子设备，未来的世界将因此变得更加精彩。

此外，超级计算机作为算力的重要载体，其发展也体现了对新一代计算技术的探索。新一代超级计算机系统在图计算能效等方面取得突破，并且正积极探索“超智融合”的发展模式，将超级计算和智能计算相结合，以更好地服务基础科学研究和实际应用。

结语：迈向多元共生的计算未来

“硅不够用”并非意味着硅的彻底退出历史舞台，而更像是一个信号，预示着半导体和计算技术将迈入一个更加多元和开放的时代。未来，我们将看到不同材料和计算架构在各自擅长的领域发挥优势，共同构建一个多姿多彩的计算生态系统。

从化合物半导体在功率和高频领域的深耕，到二维材料在柔性电子和微型器件上的突破，再到存算一体、光子计算、量子计算等新架构对计算范式的颠覆，以及RISC-V在定制化和开放生态上的努力，这些探索和创新共同描绘着“后硅时代”的壮丽蓝图。

这个时代的到来，需要跨学科的深度合作，需要基础研究的持续投入，更需要产业界的开放与协同。让我们拭目以待，看这些充满想象力的新技术如何接棒硅，开启一个全新的计算纪元，为人类社会的进步注入澎湃动力。