2000年10月10日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將本年度諾貝爾物理獎(jiǎng)授予三位科學(xué)家，分別是俄羅斯圣彼得堡約飛物理技術(shù)學(xué)院的若爾斯-阿爾費(fèi)羅夫、美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的赫伯特-克勒默和德州儀器公司的杰克-S-基爾比，以表彰他們?yōu)楝F(xiàn)代信息技術(shù)的所作出的基礎(chǔ)性貢獻(xiàn)，特別是他們發(fā)明的快速晶體管、激光二極管和集成電路(芯片)。
如果你認(rèn)為手機(jī)等智能設(shè)備改變了世界，那正是因?yàn)檫@些偉大的發(fā)明首先改變了這些設(shè)備。在閱讀這篇文章時(shí)，我們手上也正握著數(shù)項(xiàng)諾獎(jiǎng)級(jí)的成果。對(duì)于智能設(shè)備而言，經(jīng)過(guò)了十幾年的發(fā)展， 性能的提升依然是消費(fèi)者和廠商最為關(guān)注的要點(diǎn)，更具體來(lái)說(shuō)，這很大程度上取決于設(shè)備中芯片性能的提升。
在摩爾定律應(yīng)用的近60年時(shí)間里，計(jì)算機(jī)從艾尼阿克這樣的龐然大物變成每個(gè)人都不可或缺的便攜式設(shè)備，信息技術(shù)也由軍事實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入無(wú)數(shù)個(gè)普通家庭之中。不過(guò)，芯片性能的提升，目前還主要依賴(lài)于制造工藝的升級(jí)，而由于愈發(fā)逼近物理極限，工藝研發(fā)難度不斷加大，“摩爾定律”將失效的聲音也越來(lái)越大。
近日，在中國(guó)國(guó)際石墨烯創(chuàng)新大會(huì)上，國(guó)內(nèi)多家公司及機(jī)構(gòu)成立了石墨烯銅創(chuàng)新聯(lián)合體，成員包括正泰集團(tuán)、上海電纜所與上海市石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺(tái)，其將面向全球“發(fā)榜”，協(xié)同開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，聚力解決一批“卡脖子”問(wèn)題。該創(chuàng)新聯(lián)合體表示，希望能夠研發(fā)出基于石墨烯的芯片來(lái)取代傳統(tǒng)硅基芯片，由于石墨烯的電子遷移率遠(yuǎn)高于硅基材料，性能至少是硅基芯片的10倍以上，同時(shí)功耗還能大幅降低。
硅基芯片即將到達(dá)性能極限
由于高純硅的獨(dú)特性，導(dǎo)致其集成度越高，晶體管的價(jià)格越便宜，這樣也就使得摩爾定律產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)學(xué)效益。在1990年左右，一個(gè)晶體管要10美元左右，但隨著晶體管越來(lái)越小，小到一根頭發(fā)絲上可以放上千晶體管時(shí)，每個(gè)晶體管的價(jià)格就下降至此前的千分之一。
就在本月，先后發(fā)布的聯(lián)發(fā)科天璣9200和高通驍龍8 Gen2兩款旗艦處理器，采用的都是臺(tái)積電4nm工藝，但卻并沒(méi)有使用3nm工藝。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，臺(tái)積電4nm工藝其實(shí)是基于2020年的5nm工藝節(jié)點(diǎn)的改名而已，這一幕其實(shí)在臺(tái)積電的6nm工藝時(shí)就發(fā)生過(guò)，6nm本質(zhì)上也是7nm工藝節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)。
這種“換湯不換藥”式的改名，意味著晶體管微縮技術(shù)發(fā)展的放緩。
如今，還在繼續(xù)堅(jiān)持攻克先進(jìn)制程的晶圓廠僅剩下臺(tái)積電、三星、英特爾等幾位高端玩家，先進(jìn)制程所必需的高昂芯片研發(fā)、制造費(fèi)用也給公司帶來(lái)了巨大的成本壓力與投資風(fēng)險(xiǎn)，這也進(jìn)一步迫使企業(yè)尋求性?xún)r(jià)比更高的技術(shù)路線(xiàn)來(lái)滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)界日益增長(zhǎng)的芯片性能的需求。而且隨著摩爾定律不斷逼近極限，現(xiàn)在的硅基半導(dǎo)體技術(shù)很快會(huì)碰到極限，1nm及以下工藝就很難制造了，在多個(gè)新的技術(shù)方向中，石墨烯芯片是其中一個(gè)選項(xiàng)，國(guó)內(nèi)也有多家公司組建聯(lián)盟攻關(guān)這一技術(shù)。
石墨烯芯片能否彎道超車(chē)？
據(jù)介紹，石墨烯是一類(lèi)由單層以碳原子六方晶格排列構(gòu)成的特殊材料，強(qiáng)度大約是鋼的200倍，厚度是頭發(fā)的20萬(wàn)分之一，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性均高于銅，每平方米的重量不到1毫克。同時(shí)，它還具有高電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)，因此在散熱、電池及芯片等各個(gè)領(lǐng)域都有極大的發(fā)展?jié)摿Γ苁箶?shù)據(jù)傳輸更快，也符合現(xiàn)在高性能、低功耗芯片的發(fā)展趨勢(shì)。
早在2010年時(shí)，IBM就曾展示過(guò)石墨烯晶圓，晶體管頻率可達(dá)100GHz以上，理論上還可以制造出500GHz到1000GHz的石墨烯芯片。相比之下，現(xiàn)階段基于硅材料的處理器，超頻記錄也沒(méi)有超過(guò)10GHz。
在全球IEEE國(guó)際芯片導(dǎo)線(xiàn)技術(shù)會(huì)議上，正式將石墨烯定位為下一代新型半導(dǎo)體材料，同時(shí)也將碳基芯片定義為下一個(gè)芯片時(shí)代的主流。不過(guò)，石墨烯芯片的制造難度也非常高，數(shù)十年來(lái)業(yè)界一直在研究大規(guī)模量產(chǎn)的方法，但都沒(méi)有達(dá)到實(shí)用程度。目前，多個(gè)國(guó)家都在研究石墨烯芯片，一旦成功量產(chǎn)，就有望打破現(xiàn)今的硅基芯片壟斷局面。在中國(guó)，各企業(yè)和科研院所近年來(lái)也一直在石墨烯領(lǐng)域集結(jié)發(fā)力，我國(guó)自主研發(fā)完成的8英寸石墨烯晶圓，不管是性能或尺寸，都處于國(guó)際頂尖水平，華為首次公開(kāi)的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管專(zhuān)利，也標(biāo)志著中國(guó)在芯片研究領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)全新的開(kāi)始。截至2021年底，中國(guó)石墨烯專(zhuān)利技術(shù)申請(qǐng)量約占全球的80%，相關(guān)產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到160億元。
前不久，工信部批復(fù)組建國(guó)家石墨烯創(chuàng)新中心等三家國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新中心。創(chuàng)新中心將面向石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，圍繞石墨烯材料規(guī)模化制備、石墨烯材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和石墨烯行業(yè)質(zhì)量提升等研發(fā)方向，開(kāi)展關(guān)鍵共性技術(shù)攻關(guān)，支撐打造貫穿石墨烯領(lǐng)域創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈、人才鏈和價(jià)值鏈的創(chuàng)新體系，助推國(guó)內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展。
可繞過(guò)光刻機(jī)？石墨烯芯片沒(méi)那么“神”
由于碳元素比較穩(wěn)定，具有易于成型和機(jī)械加工的特性，業(yè)界一直有傳言稱(chēng)碳基芯片的制造完全可以繞開(kāi)復(fù)雜的EUV光刻設(shè)備，石墨烯晶圓也將實(shí)現(xiàn)碳基芯片的量產(chǎn)。
2021年5月，在中芯國(guó)際的互動(dòng)平臺(tái)上，就有投資者提出：“貴司是否愿意與中科院合作研發(fā)石墨烯碳基芯片項(xiàng)目”的問(wèn)題作出回應(yīng)。當(dāng)時(shí)，中芯國(guó)際就表示公司的業(yè)務(wù)未涉及石墨烯晶圓領(lǐng)域，這也打消了早先網(wǎng)上流傳的有關(guān)于“中芯國(guó)際可以依靠石墨烯芯片，在半導(dǎo)體領(lǐng)域中彎道超車(chē)”的謠言。對(duì)此，中科院團(tuán)隊(duì)也表示其并未說(shuō)過(guò)類(lèi)似“我國(guó)是世界上唯一能夠生產(chǎn)8英寸石墨烯晶圓”的言論，望大家不要被誤導(dǎo)。
事實(shí)上，在美國(guó)對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)實(shí)行技術(shù)限制的大背景下，中芯國(guó)際很難做到既兼顧解決國(guó)內(nèi)芯片自給問(wèn)題，又做好石墨烯晶圓的新項(xiàng)目研究。即便可以，考慮到市場(chǎng)、成本、技術(shù)等問(wèn)題，硅基產(chǎn)品在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，依舊會(huì)處于業(yè)界主導(dǎo)地位，目前的碳基芯片基本上還處于概念階段，并沒(méi)有實(shí)際可以量產(chǎn)的成品出現(xiàn)。
與硅基芯片的發(fā)展軌跡類(lèi)似，想要生產(chǎn)、研發(fā)碳基芯片，就必須有一套與之相匹配的完整產(chǎn)業(yè)鏈與大量的研發(fā)人員，這便產(chǎn)生了額外的成本。當(dāng)前半導(dǎo)體領(lǐng)域有關(guān)于芯片資源的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，放棄大好市場(chǎng)資源，投入大量人力、財(cái)力資源選擇一個(gè)尚未成型的市場(chǎng)項(xiàng)目，顯然是不明智的。
此外，在與硅基芯片的特性對(duì)比后，大家可能會(huì)產(chǎn)生“碳芯片的制程難度低于硅芯片”的誤解，但實(shí)際上，如果單從容量來(lái)看，碳基芯片的制程難度的確低于現(xiàn)有的硅基芯片，這是因?yàn)樘蓟酒扇菁{晶體管數(shù)量要高于硅芯片，碳晶圓的晶體管架空性也優(yōu)于硅晶圓。但是，由于碳原子有4個(gè)自由電子，碳晶體管本身具有較高的導(dǎo)熱性與電子活潑性，導(dǎo)致碳晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分不穩(wěn)定，提高了芯片廠商對(duì)芯片自主可控電阻、電流的難度。這對(duì)于小規(guī)模生產(chǎn)來(lái)說(shuō)沒(méi)有影響，但若想大規(guī)模量產(chǎn)，需要芯片代工廠商擁有像實(shí)驗(yàn)室一樣的環(huán)境、技術(shù)條件，顯然是不太現(xiàn)實(shí)的，這也是碳基芯片實(shí)際量產(chǎn)難度高于硅基芯片的原因。
另外，針對(duì)網(wǎng)上流傳的的碳基芯片可避開(kāi)EUV光刻機(jī)的謠言，可信度也非常低。原因之一就在于，碳基芯片只是在同等性能的前提下，制程難度低于硅芯片，如同為10nm制程，碳基芯片的性能大概是硅芯片性能的5到10倍，但不管是哪種材料，要想生產(chǎn)7nm及以下的芯片，如今有且只有一條路，那就是通過(guò)EUV光刻機(jī)。
寫(xiě)在最后
不可否認(rèn)的是，與硅基芯片相比，碳基芯片的優(yōu)勢(shì)的確很大。但在當(dāng)前的探索階段，全球各國(guó)都尚未在石墨烯芯片領(lǐng)域有真正的突破。如果隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，碳基芯片在未來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，國(guó)內(nèi)積累的相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢(shì)才能真正實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)，使我國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)更加完善，并開(kāi)啟一個(gè)全新的芯片時(shí)代。
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