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| 本文作者： 姚勇喆 | 2022-02-15 17:32 |
早在互聯(lián)網(wǎng)混沌初開之時便已經(jīng)誕生的摩爾定律，近年來逐漸開始失效。自芯片制程工藝進入7nm時代以來，制程紅利日漸消失，技術(shù)發(fā)展的成本被不斷堆高。這使得包括英特爾在內(nèi)的部分廠商在制程工藝上的發(fā)展日漸受阻。
摩爾定律的逐漸失效是因為在現(xiàn)有的芯片制造技術(shù)下晶體管都處在一個平面上，其數(shù)量不可能無限增長下去。理論上，芯片的極限制程大約為2nm，現(xiàn)在的芯片制造工藝已經(jīng)在逼近這個極限。雖然IBM等廠商在嘗試3D芯片封裝工藝以延續(xù)摩爾定律，但在3D堆疊上仍然還存在一些技術(shù)問題。
另一方面，目前我國的芯片制造行業(yè)在技術(shù)上落后于世界，較世界先進水平仍有距離。特別是先進制程工藝芯片的制造在國內(nèi)仍屬空白，這使得我國一些高精尖領(lǐng)域?qū)π酒男枨笸耆蕾囘M口。根據(jù)統(tǒng)計，2020年我國在服務(wù)器和計算機中的CPU國產(chǎn)市占率僅為不到0.5%，國產(chǎn)芯片在高性能計算市場中幾乎沒有存在感。
如今，以中芯國際為代表的中國芯片代工廠商雖然正在迎頭趕上，但要跨越發(fā)達(dá)國家在芯片領(lǐng)域用幾十年時間累積的技術(shù)護城河，需要新的機遇?；诩{米碳材料晶體管的碳基芯片技術(shù)，也許就是未來國產(chǎn)芯片實現(xiàn)趕超的機會。
在芯片行業(yè)整體呼喚變革的當(dāng)下，或許對我國來說這條路上存在新的可能。
替代硅基的次世代技術(shù)——碳基芯片
目前，由于硅基芯片的發(fā)展已經(jīng)逼近極限，各大芯片廠商紛紛尋找芯片行業(yè)在未來新的發(fā)展方向，碳基芯片就是這其中一顆閃亮的新星。
碳基芯片即基于納米碳材料晶體管制造的芯片，碳基芯片已經(jīng)被國內(nèi)外眾多學(xué)者和知名芯片制造企業(yè)認(rèn)為是最可能代替硅基芯片的次時代技術(shù)。
由于石墨烯和納米碳管特殊的幾何結(jié)構(gòu)，電子在這些材料中的傳輸速度大大超出了目前的硅基材料。同時，納米碳結(jié)構(gòu)中沒有金屬中那種可以導(dǎo)致原子運動的低能缺陷或位錯，使得其能夠承受的電流強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出目前集成電路中銅互連能承受的電流上限。
這些性質(zhì)使得納米碳成為了最理想的納米尺度的導(dǎo)電材料。
用納米碳作為材料制造的晶體管，在實驗室環(huán)境下，其功耗表現(xiàn)優(yōu)于硅晶體管5倍；碳基集成電路的功耗綜合表現(xiàn)優(yōu)于當(dāng)前技術(shù)50倍。
此外，納米碳材料加工溫度低，工作功耗低的特點，使得其易于三維異構(gòu)集成，能夠克服三維集成電路面臨的技術(shù)問題。理論上，采用納米碳材料的三維集成電路與硅基三維集成電路相比功耗具有1000倍的綜合優(yōu)勢。
對于我國在芯片領(lǐng)域技術(shù)落后的現(xiàn)狀，碳基芯片的制造還具有成本低，門檻低的優(yōu)點。
碳基芯片的材料決定了采用在芯片制造領(lǐng)域中相對簡單的平面器件工藝，就可以實現(xiàn)5nm制程。另外，碳基芯片的制造仍然可以沿用目前的硅基芯片制造設(shè)備，且在設(shè)備比目前先進制程工藝設(shè)備落后三代的情況下，仍然可以使得芯片性能與目前先進硅基芯片相當(dāng)，這使得我國芯片制造行業(yè)在新賽道上突破“卡脖子”成為可能。
要想實現(xiàn)碳基芯片的量產(chǎn)，高質(zhì)量的碳晶體管制備技術(shù)至關(guān)重要。根據(jù)IBM沃森研究中心對碳納米管集成電路的規(guī)劃，理想的碳納米管材料應(yīng)為定向排列的碳納米管陣列，最佳間距為5-10nm，即碳管排列密度為100~200根/μm。此外，納米碳管半導(dǎo)體純度必須大于99.9999%，該純度也被成為“六個九水平”。
目前，國內(nèi)外對制備高半導(dǎo)體純度碳納米管已經(jīng)有了一定的研究。2013年IBM的Cao等人制出了半導(dǎo)體純度達(dá)到99%的碳納米管，但該方法制備出的碳納米管密度將會達(dá)到500根/μm，碳納米管的純度和密度都不滿足生產(chǎn)所需。
2016年，北京大學(xué)的彭練矛研究組發(fā)現(xiàn)了一種“蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝”的方法可以在微米尺度上排列碳納米管。隨后，該課題組在2020年通過“維度限制自組裝”和“DNA限制自組裝”的方法制備得到了半導(dǎo)體濃度符合“六個九水平”，密度保持在100~200根/μm的碳納米管，這標(biāo)志著我國碳納米管的制備工藝已經(jīng)達(dá)到了碳基芯片所需的技術(shù)奇點。
而對于碳基集成電路的探索，全世界目前都尚處在起步階段。自2013年斯坦福大學(xué)開發(fā)出首臺完全使用碳納米管打造并能夠成功運行簡單程序的電腦以來，對該領(lǐng)域的探索就從未止步。2020年，我國彭練矛-張志勇團隊最新成果中碳基集成電路速度達(dá)到了8.06GHz，處于世界一流水平。
總的來看，硅基芯片的發(fā)展總有盡頭，而碳基芯片目前看來最可能是硅基芯片在未來的接棒人。目前，我國在碳基芯片上的理論和實踐積累都處于世界前列，碳基芯片或許將會成為我國芯片行業(yè)突破技術(shù)護城河，走向世界的關(guān)鍵。
打破先進光刻機封鎖，國產(chǎn)“芯”彎道超車的機會
對于這條芯片領(lǐng)域的新賽道，我國各界都相當(dāng)關(guān)注。
從技術(shù)角度來講，我國目前在芯片領(lǐng)域最受擎肘的并不是設(shè)計環(huán)節(jié)，而是其制造環(huán)節(jié)。臺積電和三星擁有著目前最先進的5nm芯片制程工藝，而他們技術(shù)的共同點，就是使用了來自荷蘭ASML公司的EUV光刻機。
一般來講，主流光刻機技術(shù)分為DUV和EUV技術(shù)，前者意為“深紫外線”，而后者則為“極深紫外線”。DUV光刻機可以做到25nm制程，Intel憑借雙工作臺模式使其能夠達(dá)到10nm制程工藝。但10nm以下的制程工藝，目前只有EUV光刻機才能做到。由于西方國家封鎖，我國芯片制造企業(yè)目前無法購買到EUV光刻機進行先進制程工藝芯片的制備。
但DUV光刻機完全可以滿足制備5nm碳基芯片所需的工藝要求。這預(yù)示著未來也許我們可以在不依賴進口光刻機的前提下發(fā)展先進制程芯片制造技術(shù)。這實際上給予了我國芯片行業(yè)彎道超車的機會。
在2021年IMEC（歐洲微電子研究中心）的公開會議上，與會者提出了四種延續(xù)摩爾定律、打破2納米硅基芯片物理極限的方法。在這四種方法中，碳基芯片的發(fā)展方案得到了專家組的一致認(rèn)可。專家們一致認(rèn)為，碳基芯片將是硅基芯片后，新一代主流芯片技術(shù)。
我國碳基芯片領(lǐng)軍人物彭練矛院士在接受人民網(wǎng)采訪時也曾表露，他認(rèn)為碳基芯片是智慧城市運行發(fā)展的最佳選擇。彭院士還預(yù)言：“十五年之后碳基芯片有望成為芯片行業(yè)主流技術(shù)?！?/p>
目前，碳基芯片還處在實驗室研究的初級階段，量產(chǎn)之路仍然“路漫漫其修遠(yuǎn)兮”。根據(jù)初步估算，要想真正完成碳基芯片從實驗室到辦公室的飛躍，至少需要確保十年以上的持續(xù)資金投入，碳基材料研究投入需要幾十億元。但由于投資回報前景不明朗，市場投資者興趣缺缺。在這種情況下，政府的投入和支持顯得尤為重要。
根據(jù)新華網(wǎng)消息，碳基材料將被納入“十四五”原材料工業(yè)相關(guān)發(fā)展規(guī)劃中。
另外根據(jù)彭博社報道， 2021年我國有一項發(fā)展碳基芯片以幫助中國芯片制造商克服美國制裁的計劃。這足見國家政策上對碳基芯片的支持和對其未來的期望。
在可以想見的未來里，或許國產(chǎn)芯片真的能擎起這桿叫做碳基芯片的槳，在新時代里駛向大海彼岸的遠(yuǎn)方。雷峰網(wǎng)雷峰網(wǎng)雷峰網(wǎng)(公眾號：雷峰網(wǎng))
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