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2016年以前，芯片行業(yè)內(nèi)有聲音認(rèn)為：7nm是硅芯片工藝的物理極限；而現(xiàn)在，7nm制程的硅芯片已經(jīng)問(wèn)世，新的聲音又出現(xiàn)了：3nm才是極限。
但3nm以下的芯片該怎么發(fā)展？對(duì)此，目前各大半導(dǎo)體廠商都沒(méi)有明確的答案。
芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨瓶頸，推出新的架構(gòu)是一大解決方案，但更“根本”的辦法，或許是找到能夠替代硅的新材料。
事實(shí)上，硅材料并非從一開(kāi)始就是首選。在硅之前，主流芯片材料是鍺，但鍺的“硬傷”，主要有三個(gè)：
一是含量少。鍺在地殼中的含量?jī)H為一百萬(wàn)分之七且極為分散，被稱為“稀散金屬”。沒(méi)有集中的“鍺礦”，導(dǎo)致鍺的開(kāi)采成本十分高昂，也很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
二是高純度鍺的提煉難度很大。純度不足的直接結(jié)果就是芯片性能難以提升。
三是穩(wěn)定性差。采用鍺晶體管的芯片，多只能承受80°C左右的高溫，而早期芯片的買方以政府軍方為主，這些客戶通常要求產(chǎn)品能夠經(jīng)受200°C的高溫，鍺芯片顯然做不到。
鍺的這些“硬傷”，恰好都是硅的長(zhǎng)處。硅在地殼中的含量高達(dá)26.3%，僅次于氧(48.6%)，是含量第二高的元素。在穩(wěn)定性方面，硅也強(qiáng)于鍺。在提純方面，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)能將純度無(wú)限提升至接近100%。
自從仙童公司發(fā)明了硅晶體管的平面處理技術(shù)，讓硅在芯片中的應(yīng)用變得簡(jiǎn)單高效，硅就逐漸成為了芯片制造的主流材料。
如今，硅遇到了什么問(wèn)題？
芯片發(fā)展的趨勢(shì)，可以簡(jiǎn)單總結(jié)為：體積更小、性能更強(qiáng)。要朝這個(gè)方向發(fā)展，就要讓芯片單位面積上集成的元器件數(shù)量更多。元器件尺寸越小，芯片上能集成的元器件就自然越多，當(dāng)然這同時(shí)也意味著更高的制造難度。
這就好比房間越來(lái)越小，但里面要裝的東西卻越來(lái)越多，不管采用什么樣的“收納”方式，總有一天，這個(gè)房間會(huì)“過(guò)載”。
漏電和散熱不佳，就是硅芯片“過(guò)載”產(chǎn)生的問(wèn)題。
實(shí)際上，這兩個(gè)問(wèn)題并不是在當(dāng)前芯片制程工藝走到了7nm這一時(shí)期，才突然出現(xiàn)的。在硅芯片發(fā)展歷程中，這樣的問(wèn)題也多次出現(xiàn)，但各大廠商都用各種方式巧妙解決了。運(yùn)用新的材料，就是其中一種方法，比如用鍺硅等元素作為信道的材料。但如何將不同的材料整合到硅基板上，也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
即使現(xiàn)在的7nm芯片并沒(méi)有像過(guò)去預(yù)測(cè)的那樣，達(dá)到硅芯片的物理極限，但硅的物理極限是必然存在的。
芯片的下一個(gè)“根本性”的突破，就是找到新的材料。
什么類型的材料有望成為主流？
近日，達(dá)摩院發(fā)布的“2020科技趨勢(shì)”預(yù)測(cè)：新材料的全新物理機(jī)制，將實(shí)現(xiàn)全新的邏輯、存儲(chǔ)及互聯(lián)概念和器件，推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的革新。例如，拓?fù)浣^緣體、二維超導(dǎo)材料等，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)損耗的電子輸運(yùn)和自旋輸運(yùn)，可以成為全新的高性能邏輯器件和互聯(lián)器件的基礎(chǔ)。
著名華裔科學(xué)家張首晟就在2016年宣稱：已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了新的拓樸絕緣體材料，并且該材料已經(jīng)實(shí)驗(yàn)成功。如果這種新的拓樸絕緣體材料終能夠成功地應(yīng)用到半導(dǎo)體和芯片產(chǎn)業(yè)中，將帶來(lái)巨大的商機(jī)，也將造就一個(gè)新的硅谷時(shí)代。
當(dāng)然，目前拓樸絕緣體在芯片制造領(lǐng)域的應(yīng)用，還處于比較早期的研發(fā)階段。已知的是能夠解決電子芯片發(fā)熱的問(wèn)題，但未來(lái)這種材料該怎么用、能用在哪里，還有許多需要探索的地方。此外，拓樸絕緣體更多地被寄希望于應(yīng)用在量子芯片上，但量子芯片與經(jīng)典芯片是完全不同的兩個(gè)領(lǐng)域。
另一種新材料——二維超導(dǎo)材料，是時(shí)下半導(dǎo)體行業(yè)討論的熱門話題。二維材料包括石墨烯、磷烯、硼烯等，這些材料更有希望成為主流材料。
其中，石墨烯是突出的一個(gè)。
之所以看好石墨烯，是因?yàn)樗?ldquo;二維”這個(gè)屬性外，還有一個(gè)身份——碳納米材料。早在2012年，IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會(huì))就在《超越摩爾》中寫(xiě)道，未來(lái)半導(dǎo)體工業(yè)可能從“硅時(shí)代”進(jìn)入“碳時(shí)代”。碳納米材料石墨烯可能在未來(lái)代替原來(lái)的硅基材料。
碳納米管是由石墨烯片卷成的無(wú)縫、中空的管體，導(dǎo)電性能極好，而且管壁很薄。因此，理論上在同樣的集成度下，碳納米管芯片能比硅芯片更小；此外，碳納米管本身產(chǎn)熱很少，加上有良好的導(dǎo)熱性，因此能夠減少能耗；此外，從開(kāi)采成本考量，碳的分布廣泛，獲取成本并不高。
更重要的是，石墨烯作為人類早發(fā)現(xiàn)的二維材料，其應(yīng)用已經(jīng)在屏幕、電池、可穿戴設(shè)備上出現(xiàn)，石墨烯的研究已經(jīng)到了相對(duì)成熟的階段。因此，石墨烯為有望成為新的主流芯片材料，取代硅的地位。
目前中國(guó)自主研發(fā)的傳統(tǒng)芯片，還在28nm到14nm制造工藝的商業(yè)化量產(chǎn)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，與先進(jìn)水平還有較大的差距。但這都是建立在硅作為芯片主要材料的基礎(chǔ)上來(lái)說(shuō)的，如果未來(lái)碳納米材料能夠成為主流，那么中國(guó)是否有機(jī)會(huì)在這個(gè)節(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)彎道超車？
首先，中國(guó)的碳納米管器件研究與前沿水平差距不大。上早實(shí)現(xiàn)碳納米管器件制備的是IBM，2017年IBM通過(guò)使用碳納米管將晶體管尺寸縮小到40nm；同年，北京大學(xué)研制了120nm的碳納米管晶體管，在0.8伏特電壓下的跨導(dǎo)，為已發(fā)表的碳納米管器件中的高值。
但任何技術(shù)的發(fā)展都不會(huì)一帆風(fēng)順。石墨烯在芯片制造領(lǐng)域的應(yīng)用面臨著三大難題：首先，目前高純度的石墨烯還比較難獲得；其次，石墨烯晶圓的制造也十分困難，雖然現(xiàn)在中國(guó)已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)石墨烯單晶晶圓的規(guī)模化制備，但在當(dāng)前的制作工藝下，還是容易出現(xiàn)褶皺、點(diǎn)缺陷和污染的情況；后，要讓納入器件的石墨烯能夠繼續(xù)保持其優(yōu)良的性能，其他相關(guān)的制作工藝和材料也需要與之配套迭代，才能保證以石墨烯為原料的芯片得以穩(wěn)定運(yùn)行。
簡(jiǎn)單總結(jié)來(lái)說(shuō)，石墨烯還是一個(gè)比較新的材料。要想讓石墨烯能夠真正替代硅，成為芯片的主流材料，在制造工藝以及配套器件的技術(shù)跟進(jìn)上，還有許多難題需要解開(kāi)。
對(duì)中國(guó)而言，在技術(shù)新舊交替的節(jié)點(diǎn)上，無(wú)疑存在著彎道超車的機(jī)會(huì)。但需要正視的問(wèn)題是：國(guó)內(nèi)對(duì)新概念往往過(guò)于狂熱。石墨烯在芯片等眾多領(lǐng)域確實(shí)大有潛力，但從發(fā)現(xiàn)潛力到產(chǎn)業(yè)化，中間需要的是腳踏實(shí)地的研究，也需要大眾對(duì)新技術(shù)研發(fā)失敗的包容。
中國(guó)芯片的彎道超車，不僅僅需要“新”材料，更需要的是“新”的產(chǎn)學(xué)研體系，以及更加開(kāi)放包容的投資環(huán)境。
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