2026年初的感慨：《三体》里程心的“阶梯计划”，当前集成芯片发展的最主要思路

一、阶梯计划

   在飞船（飞行器）预定的太空轨道上，按照合适的空间距离布置“核弹”；每一颗核弹爆炸，都会对飞船进行一次脉冲式的推动；足够数量的核弹爆炸后，就可以把飞船加速到光速的百分之一。

图1  程心的“阶梯计划”示意图

图2  程心的“阶梯计划”示意图

二、特点

   把落后的技术以先进的方式组合起来，试图产生貌似超越时代的能力。

   历史上的“火龙出水”、“连发弩”；《三体》里的“阶梯计划”，都是这个思路。

三、当前集成芯片发展的最主要思路：把落后的技术以先进的方式组合起来

   原因，可以参见《中国大百科全书》的词条：

3.1  2022-12-23，摩尔定律/Moore's law

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=130521&Type=bkzyb&SubID=105141

   工艺的特征尺寸已缩减到10纳米以下，量子力学限制成为阻碍集成电路产业继续按照摩尔定律发展的物理壁垒，而不断攀升的巨额投入则逐渐形成经济壁垒，集成电路产业发展速度放缓已现端倪。壁垒虽高，但创新的源动力更为强劲：隧道场效应晶体管、电子自旋器件及磁电器件等各种基于新原理的器件或可使得摩尔定律继续延续；三维集成等新技术的出现则使得人们可绕开壁垒限制，继续扩展集成电路功能、增加集成度，进入所谓的“超越摩尔定律”时代。

3.2  2022-12-23，纳电子器/nanoelectronic device

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=193711&Type=bkzyb&SubID=123520

   纳电子器件会出现许多新的现象，如电导量子化、库仑阻塞、共振隧穿、电子波干涉及电导的弱局域性等现象。这些现象是传统的微电子技术所不需要考虑的。

   在器件小型化的过程中，其物理模型会发生一定的变化：①由于测不准原理，相空间的概率分布函数将不再具有统计意义；②由于电子波长和器件尺寸可比，电子会表现出波动性，而不能简单考虑其粒子性；③电子运动做出的晶体格点不再是无限大，格点起伏变得比较明显，边界效应所占比重加大；④由于相位相干长度和器件尺寸可比，电子相关性、关联性变强。

3.3  2022-01-20，纳米电子器件/nano electronic devices

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=272547&Type=bkzyb&SubID=152339

   纳米量级器件会出现电导量子化、能级量子化、电荷量子化、库仑阻塞、共振隧穿、电子波干涉及电导的弱局域性等现象。由于微加工技术的发展，器件的特征尺寸已经达到纳米尺度，已经接近甚至小于电子的德布罗意波长，达到了介观体系的尺度。随着尺寸的减小，传统的电子器件已逐渐接近其工作原理的“物理极限”，量子效应显著，并出现一些介观尺度的特有现象。

   半导体和金属的这种差别源于电子质量的不同（半导体中是有效质量），有效质量的不同导致半导体的德布罗意波长远大于金属的德布罗意波长，半导体已经严重量子化。

3.4  2022-12-23，纳米电子器件/nanoelectronic device

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=152177&Type=bkzyb&SubID=80655

   自从1947年电子晶体管发明以来，其尺寸持续缩小。随着器件尺寸进入纳米尺度，介观物理和量子效应将会越来越明显，因此将产生短沟道效应、库仑阻塞效应、绝缘氧化层量子隧道效应和沟道掺杂原子统计涨落等物理现象，影响器件的性能；由于晶体管集成度的提高，单位面积内的功耗增加，散热问题对器件性能的影响越来越大；为了满足纳米尺度工艺精度和技术要求，芯片制造设备成本越来越高。

   纳米电子器件具有尺寸小、功耗低、对外界环境敏感等特点，具有的量子效应使得其与传统电子器件有着很多不同之处。

参考资料：

[1] 阶梯计划，小说《三体Ⅲ·死神永生》中的构想，百度百科

https://baike.baidu.com/item/%E9%98%B6%E6%A2%AF%E8%AE%A1%E5%88%92?fromModule=lemma_search-box

[2] 2025-04-09.火器/firearms/周克栋，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=232863&Type=bkzyb&SubID=63450

   多级火箭则由两个或者两个以上推进筒组成，可以提高火箭的射程，如明代的“火龙出水”就是一种二级火箭，其在竹筒的前后装上木雕龙头龙尾，并在竹筒外部两侧前后装有4支火箭喷筒，引线联结在一起;竹筒内部装有数支单级火箭，引线联结到火箭喷筒尾部，使用时首先点燃外部火箭喷筒，火龙可飞行约1千米距离，火箭喷筒即将燃尽时点燃联结的单级火箭引线，使竹筒内部的火箭从龙口飞出，继续飞向目标。当时的火箭发射架最初采用树丫权，万历(1563~1620)年间赵士祯发明了火箭溜，具有火箭滑槽，火箭可沿滑槽运动获得初始方向，精度得到一定提高，这种武器可以看作近现代滑轨式火箭炮的雏形。此外著名抗倭将领戚继光还将火箭框装于车上以提高火箭的机动性。

[3] 2022-12-23，摩尔定律/Moore's law/刘力源，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=130521&Type=bkzyb&SubID=105141

[4] 2023-08-02，单电子隧穿效应/single electron tunneling effect/秦华，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=127066&Type=bkzyb&SubID=80654

[5] 2022-12-23,单电子晶体管/single electron transistor; SET/姬扬，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=130469&Type=bkzyb&SubID=105141

   用一个或者少数几个电子就能记录信号的晶体管。

   在外加电压的时候，如果电压变化引起器件中电荷变化量小于电子电荷，就不会有电流通过；直到电压引起的变化超过电子电荷，才会有电流通过，这就是库仑阻塞效应。利用这个效应，可以制备出单电子晶体管（SET），人为控制单个电子的运动。

[6] 2022-12-23,单电子晶体管/single electron transistor/郭国平，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=127556&Type=bkzyb&SubID=80656

   基于库仑阻塞效应的超灵敏微纳米电子学器件。

   1987年，美国贝尔实验室的研究者用金属结构制备了第一个单电子晶体管。1989年，研究者利用窄硅场效应晶体管制备了第一个半导体材料单电子晶体管。

[7] 2022-12-23，库仑阻塞效应/Coulomb blockade effect/秦华，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=127112&Type=bkzyb&SubID=80654

   电子与电子的库仑相互作用显著改变电子能量和隧穿概率的单电子输运现象。

   库仑阻塞效应的一个重要应用是单电子器件，包括单电子存储器、单电子晶体管和量子比特等。

[8] 2023-08-22，自旋晶体管/spin transistor/韩秀峰，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=120921&Type=bkzyb&SubID=98995

   利用电子的电荷和自旋自由度，并具有能耗低、速度快等特点的晶体管。

   1993年，M.约翰逊（Mark Johnson）提出了一种基于“铁磁金属（F1）/非磁金属（P）/铁磁金属（F2）”全金属结构（见图）的双极型自旋晶体管，其中两层铁磁金属F1与F2分别作为发射极与接收极，非磁金属P为基极。

[9] 2023-01-05，单原子晶体管/monoatomic transistor/韩伟华，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=62936&Type=bkzyb&SubID=80584

[10] 2022-12-23，分子晶体管/molecular transistor/卢威，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=128099&Type=bkzyb&SubID=80673

[11] 2022-12-23，纳米晶体管/nanotransistor/韩伟华，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=62934&Type=bkzyb&SubID=80584

[12] 2023-08-22，磁子晶体管/magnon transistor/李树深，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=542173&Type=bkzyb&SubID=231447

   以磁子（自旋波）为信息媒介工作且具有检波、整流、放大、开关、信号调制等功能的固体磁性器件。

[13] 2023-08-07，微电子器件/microelectronic device/罗小蓉，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=124012&Type=bkzyb&SubID=99030  

[14] 科普中国，2026-01-04，拓扑绝缘体，为何能成为凝聚态物理的明星？

https://www.kepuchina.cn/article/articleinfo?business_type=100&classify=0&ar_id=665453

   摩尔定律是由英特尔联合创始人戈登·摩尔于1965年提出的观察性规律，指出集成电路上可容纳的晶体管数量大约每两年翻一番，同时成本下降。这一定律推动了信息技术飞速发展。然而，随着器件尺寸逼近几纳米级别，量子效应、漏电流和热管理等问题日益突出，物理极限使得延续摩尔定律变得困难，促使业界探索新材料、新架构（如3D封装、量子计算）。

以前的《科学网》相关博文链接：

[1] 2022-11-05 14:25，[？] 《三体3：死神永生》：程心

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1362455.html

[2] 2026-01-03 22:03，2025年记忆小结（真傻）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1516973.html

感谢您的指教！

感谢您指正以上任何错误！

感谢您提供更多的相关资料！