半金屬鉍(Bi)的出現,憑借著能大幅降低電阻并提升電流的能力,給二維材料替代硅帶來了希望。而臺積電成功領先IBM與三星,搶占了1nm制程的先機。

先進制程大戰你追我趕

雖然摩爾定律已經接近物理極限,但半導體業界對于更先進工藝制程的研究從未停止,比如臺積電、三星、IBM等行業巨頭,已經在3nm及以下工藝上取得了突破。

5月6日晚間,IBM正式官宣了全球首款采用2nm工藝的芯片。

雖然目前IBM的2nm工藝還處于實驗室階段,但這意味著,在全球半導體企業的制程大戰中,IBM取得了領先。

不過,IBM的領先優勢只維持了短短幾天,全球代工巨頭臺積電便官宣了最新的研發進展。

與競爭對手三星、英特爾相比,臺積電的領先優勢無疑將在現有基礎上,進一步擴大。按照臺積電的說法,其3nm工藝將在今年年底進行風險試產。

除了3nm,臺積電此前曾明確表示過,2nm工藝也將按計劃時間表推出。

作為全球最大的代工廠,臺積電無論在研發水平亦或是資金實力方面,都具有對手們無可比擬的優勢。

當臺積電正在朝著物理極限不斷挑戰之時,老對手三星不僅在7nm、5nm時代均處于下風,在3nm工藝上獨辟蹊徑采用的納米片晶體管技術,也遭到不少質疑。

三星將在今年6月份展開4nm和3nm的風險試產,如果此消息為真,三星或許具備與臺積電一戰的實力。

而另一對手英特爾則還在艱難擠牙膏中。目前,英特爾還卡在7nm工藝遲遲無法突破,想要追趕臺積電和三星,已然十分困難。

臺積電突破1nm芯片領先競爭對手

5月18日,美國《自然》雜志公布了由臺積電、臺灣大學與麻省理工學院共同研發的半導體新材料——鉍(Bi),有望成為突破摩爾定律1nm極限的新材料。

此次由臺積電與臺大、麻省理工學院共同發表的研究成果,首先由麻省理工團隊發現在二維材料上搭配半金屬鉍(Bi)的電極,能大幅降低電阻并提高傳輸電流。

隨后臺積電技術研究部門將鉍(Bi)沉積制程進行優化,臺大團隊并運用氦離子束微影系統將元件通道成功縮小至 nm 尺寸,最終取得了這項突破性的研究成果。

由上述三方研發的這項研究成果已在《Nature》期刊上發布,首度提出利用半金屬鉍(Bi)作為二維材料的接觸電極,可大幅降低電阻并提高電流,使其效能幾與硅一致,有助實現未來半導體1nm的制程。

臺積電的這項研究發現:二維材料結合半金屬鉍能達到極低的電阻,接近量子極限,可以進一步縮小器件尺寸并擴展摩爾定律,有助于實現半導體 1nm 以下的艱巨挑戰。

當前芯片的主流材料是硅,而目前半導體主流制程發展到了5納米和3納米節點,芯片單位面積,所能容納的晶體管數目,已經逼近了硅這種材料的物理極限,芯片性能想要繼續按照摩爾定律逐年提升,已經變得越來越不可能。

但是半導體產業還需要繼續發展,所以近些年來,科學界一直在試圖尋找能夠取代硅的新材料,使得芯片能夠在1納米制程以下繼續發展,但是二維材料的高電阻、低電流的情況始終難以解決,而臺積電這項研究結果就是芯片新材料的一個突破。

這一旦成為現實,此前所謂的摩爾定律極限就要達成了。而要想提升芯片制程到1納米,這需要全方位的配合,特別是芯片半導體材料的使用。

先進技術背后尷尬的真相

不管是IBM的2nm芯片技術還是臺積電的1nm芯片技術,更先進的工藝帶來的則是更強的性能,這確實讓消費者所期待。

但我們目前需要的并不是這些2nm、1nm芯片技術的發布或量產,不管是IBM還是臺積電,先進工藝的發布,只是為了證明其在半導體領域的地位。

而我國的發展策略是,未全力向5nm進軍,反而更成熟的14nm、28nm才是最重要的,因為這些成熟的工藝在市場中的占比達到了90%。

這也是為什么當全球陷入芯片緊缺,臺積電卻在大陸擴產28nm工藝生產線的原因,因為需求量巨大的28nm市場才是各大企業未來幾年的主戰場。

美國的2nm芯片技術,臺積電的1nm技術,我國不必去跨步追趕,而是要穩步發展,在成熟的工藝方面扎穩腳跟之后,再到先進的工藝領域尋找新突破口,同時也不必因為工藝落后而亂陣腳,即便是7nm,在未來10多年里也有著很大的市場空間。

結尾:

摩爾定律達到極限之時,需要采用全新的技術或材料,以往的市場格局有望被打破,臺積電、三星等芯片代工巨頭們將站到新的起跑線上,進行重新競賽。

部分資料參考:數碼密探:《臺積電突破1nm芯片,中國卻掌握原材料的命脈,儲量占全球75%》,數碼扒一扒:《1nm重大突破!臺積電公布新武器,三星、英特爾望塵莫及》