隨著摩爾定律逐漸失效，現在智能設備使用的硅基半導體技術很快會碰到極限，在多個新的技術方向中，石墨烯芯片或許(xu)是個不錯的選(xuan)擇。
2000年10月10日，瑞典皇家科學院宣布將本年度諾貝爾物理獎授予三位科學家，分別是俄羅斯圣彼得堡約飛物理技術學院的若爾斯-阿爾費羅夫、美國加利福尼亞大學的赫伯特-克勒默和德州儀器公司的杰克-S-基爾比，以表彰他們為現代信息技術的所作出的基礎性貢獻，特別是他們發明的快速晶體管、激光二極管和集成電路(芯片)。
如果(guo)你認為手機等智能(neng)設備改變了(le)世界，那(nei)正是(shi)因為這(zhe)(zhe)些偉大(da)的(de)發(fa)明首先改變了(le)這(zhe)(zhe)些設備。在閱(yue)讀這(zhe)(zhe)篇文章時，我們手上(shang)也正握著數項諾獎級的(de)成果(guo)。對于智能(neng)設備而言(yan)，經(jing)過(guo)了(le)十幾(ji)年(nian)的(de)發(fa)展(zhan)， 性(xing)能(neng)的(de)提(ti)升(sheng)依(yi)然是(shi)消費者和(he)廠商(shang)最為關注的(de)要(yao)點，更具體(ti)來(lai)說(shuo)，這(zhe)(zhe)很大(da)程(cheng)度上(shang)取決于設備中芯片性(xing)能(neng)的(de)提(ti)升(sheng)。
在摩(mo)爾定律應(ying)用(yong)的(de)近60年(nian)時間里，計算機從艾尼阿克這樣的(de)龐然大物變(bian)成每(mei)個人都不可或缺的(de)便攜式(shi)設(she)備，信息技術也由軍事實(shi)驗室進(jin)入(ru)無(wu)數個普通家庭之中。不過(guo)，芯片性能的(de)提升(sheng)，目前還(huan)主要依(yi)賴于(yu)制造工(gong)藝(yi)的(de)升(sheng)級，而由于(yu)愈發(fa)逼近物理極(ji)限(xian)，工(gong)藝(yi)研(yan)發(fa)難度不斷加大，“摩(mo)爾定律”將失效的(de)聲音也越來越大。
近日，在中國國際石墨烯創新大會上，國內多家公司及機構成立了石墨烯銅創新聯合體，成員包括正泰集團、上海電纜所與上海市石墨烯產業技術功能型平臺，其將面向全球“發榜”，協同開展關鍵技術攻關，聚力解決一批“卡脖子”問題。該創新聯合體表示，希望能夠研發出基于石墨烯的芯片來取代傳統硅基芯片，由于石墨烯的電子遷移率遠高于硅基材料，性能至少是硅基芯片的10倍以上，同時功耗還能大幅降低。
硅基芯片即將到達性能極限
由于高純硅的(de)獨特(te)性，導致其集成度(du)越高，晶(jing)(jing)體(ti)管(guan)的(de)價格(ge)(ge)越便宜，這樣也就(jiu)使得(de)摩爾定律(lv)產生了(le)經(jing)濟學(xue)效益。在1990年(nian)左右(you)，一(yi)個晶(jing)(jing)體(ti)管(guan)要(yao)10美元左右(you)，但隨著晶(jing)(jing)體(ti)管(guan)越來越小(xiao)，小(xiao)到一(yi)根頭發絲上可(ke)以放上千(qian)晶(jing)(jing)體(ti)管(guan)時，每個晶(jing)(jing)體(ti)管(guan)的(de)價格(ge)(ge)就(jiu)下降至此前的(de)千(qian)分之一(yi)。
就(jiu)在本月，先后發(fa)(fa)布的(de)聯(lian)發(fa)(fa)科天璣9200和高(gao)通驍(xiao)龍(long)8 Gen2兩款旗艦處理器，采用的(de)都(dou)是(shi)臺(tai)積電4nm工(gong)藝(yi)(yi)，但卻(que)并沒有(you)使用3nm工(gong)藝(yi)(yi)。從本質上(shang)來(lai)說，臺(tai)積電4nm工(gong)藝(yi)(yi)其(qi)實是(shi)基(ji)于(yu)2020年的(de)5nm工(gong)藝(yi)(yi)節(jie)點的(de)改名而已，這一幕(mu)其(qi)實在臺(tai)積電的(de)6nm工(gong)藝(yi)(yi)時(shi)就(jiu)發(fa)(fa)生(sheng)過，6nm本質上(shang)也是(shi)7nm工(gong)藝(yi)(yi)節(jie)點的(de)改進。
這種“換湯不換藥”式的改名，意味著晶體管微縮技術發展的放緩。
如今，還在繼續堅持攻克先進制程的晶圓廠僅剩下臺積電、三星、英特爾等幾位高端玩家，先進制程所必需的高昂芯片研發、制造費用也給公司帶來了巨大的成本壓力與投資風險，這也進一(yi)步迫使企(qi)業尋求性(xing)價(jia)比更高(gao)的(de)(de)技(ji)術路線來(lai)滿足產業界(jie)日益增(zeng)長(chang)的(de)(de)芯片性(xing)能的(de)(de)需求。而且隨著(zhu)摩爾定律不(bu)斷逼近(jin)極(ji)限，現在的(de)(de)硅基半導(dao)體(ti)技(ji)術很快會碰到極(ji)限，1nm及以(yi)下工藝(yi)就很難(nan)制(zhi)造(zao)了，在多(duo)個新(xin)的(de)(de)技(ji)術方向中，石墨(mo)烯(xi)芯片是其中一(yi)個選(xuan)項，國內也有多(duo)家公司組建(jian)聯(lian)盟(meng)攻關這一(yi)技(ji)術。
石墨烯芯片能否彎道超車？
據(ju)介紹，石(shi)墨(mo)烯是(shi)一(yi)類由單層以碳(tan)原(yuan)子六方(fang)(fang)晶格排(pai)列(lie)構成的(de)特殊(shu)材料(liao)，強度(du)大約是(shi)鋼的(de)200倍，厚度(du)是(shi)頭發(fa)(fa)的(de)20萬分(fen)之(zhi)一(yi)，導電(dian)性和(he)導熱(re)(re)性均(jun)高于銅，每平方(fang)(fang)米(mi)的(de)重量不到1毫(hao)克。同時，它還具(ju)有高電(dian)導率和(he)導熱(re)(re)系數(shu)(shu)，因(yin)此在(zai)散熱(re)(re)、電(dian)池(chi)及(ji)芯(xin)片(pian)等各個(ge)領域(yu)都有極大的(de)發(fa)(fa)展潛力，能使數(shu)(shu)據(ju)傳輸更快，也符合現在(zai)高性能、低(di)功耗(hao)芯(xin)片(pian)的(de)發(fa)(fa)展趨勢。
早在(zai)2010年時，IBM就曾(ceng)展示過石墨烯晶(jing)圓，晶(jing)體管頻(pin)率可(ke)達100GHz以上(shang)，理(li)論上(shang)還可(ke)以制造出500GHz到1000GHz的石墨烯芯片。相比之下，現階段基于硅材料的處理(li)器，超頻(pin)記(ji)錄也沒(mei)有超過10GHz。
在全球IEEE國際芯片導線技術會議上，正式將石墨烯定位為下一代新型半導體材料，同時也將碳基芯片定義為下一個芯片時代的主流。不過，石墨烯芯片的制造難度也非常高，數十年來業界一直在研究大規模量產的方法，但都沒有達到實用程度。目前，多個國家都在研究石墨烯芯片，一旦成功量產，就有望打破現今的硅基芯片壟斷局面。在中國，各企業和科研院所近年來也一直在石墨烯領域集結發力，我國自主研發完成的8英寸石墨烯晶圓，不管是性能或尺寸，都處于國際頂尖水平，華為首次公開的石墨烯場效應晶體管專利，也標志著中國在芯片研究領域進入了一個全新的開始。截至2021年底，中國石墨烯專利技術申請量約占全球的80%，相關產品市場規模已達到160億元。
前不久(jiu)，工信部批復(fu)組建國(guo)家(jia)石(shi)墨(mo)烯(xi)創(chuang)新中心(xin)等(deng)三家(jia)國(guo)家(jia)制(zhi)造業創(chuang)新中心(xin)。創(chuang)新中心(xin)將面(mian)向石(shi)墨(mo)烯(xi)產(chan)業發(fa)展(zhan)的(de)(de)薄(bo)弱環節，圍繞石(shi)墨(mo)烯(xi)材料(liao)規(gui)模化制(zhi)備、石(shi)墨(mo)烯(xi)材料(liao)產(chan)業化應用和(he)石(shi)墨(mo)烯(xi)行業質量提升等(deng)研發(fa)方向，開展(zhan)關鍵(jian)共(gong)性技術(shu)攻關，支撐打造貫穿石(shi)墨(mo)烯(xi)領(ling)域創(chuang)新鏈(lian)、產(chan)業鏈(lian)、資金鏈(lian)、人才鏈(lian)和(he)價值(zhi)鏈(lian)的(de)(de)創(chuang)新體系，助推國(guo)內石(shi)墨(mo)烯(xi)產(chan)業進一步創(chuang)新發(fa)展(zhan)。
可繞過光刻機？石墨烯芯片沒那么“神”
由于(yu)碳(tan)元素比較穩(wen)定，具有(you)(you)易于(yu)成型(xing)和機械加工的特(te)性，業(ye)界一直有(you)(you)傳言稱碳(tan)基芯(xin)片(pian)的制(zhi)造完全可以(yi)繞開復雜的EUV光刻設備，石墨烯(xi)晶(jing)圓也(ye)將實現碳(tan)基芯(xin)片(pian)的量產。
2021年(nian)5月，在(zai)中(zhong)芯(xin)國(guo)際(ji)的互動平(ping)臺上，就(jiu)有投資者提(ti)出：“貴司(si)是否(fou)愿意與中(zhong)科院(yuan)合作研(yan)發石(shi)(shi)墨烯碳基芯(xin)片(pian)項目(mu)”的問題(ti)作出回應。當時，中(zhong)芯(xin)國(guo)際(ji)就(jiu)表(biao)示公司(si)的業務(wu)未涉及石(shi)(shi)墨烯晶(jing)圓領域，這(zhe)也打(da)消了早先(xian)網上流傳的有關于“中(zhong)芯(xin)國(guo)際(ji)可(ke)以(yi)依靠石(shi)(shi)墨烯芯(xin)片(pian)，在(zai)半導(dao)體領域中(zhong)彎道超車”的謠(yao)言(yan)。對此，中(zhong)科院(yuan)團(tuan)隊也表(biao)示其并(bing)未說過(guo)類似“我國(guo)是世界上唯一能(neng)夠生產(chan)8英寸石(shi)(shi)墨烯晶(jing)圓”的言(yan)論，望大家不要被誤導(dao)。
事實上(shang)，在(zai)(zai)美國對半導(dao)體行(xing)業實行(xing)技術限制(zhi)的(de)大背景(jing)下，中芯國際(ji)很(hen)難做到既(ji)兼(jian)顧解決國內芯片自給問(wen)題(ti)，又做好石(shi)墨烯晶圓的(de)新項目研究。即便(bian)可(ke)以，考(kao)慮到市場、成本(ben)、技術等問(wen)題(ti)，硅基(ji)產(chan)品(pin)在(zai)(zai)很(hen)長時間內，依(yi)舊會處于業界主導(dao)地位，目前的(de)碳基(ji)芯片基(ji)本(ben)上(shang)還處于概念(nian)階段，并沒有實際(ji)可(ke)以量產(chan)的(de)成品(pin)出現。
與硅基芯片的發展軌跡類似，想要生產、研發碳基芯片，就必須有一套與之相匹配的完整產業鏈與大量的研發人員，這便產生了額外的成本。當前半導體領域有關于芯片資源的競爭十分激烈，放棄大好市場資源，投入大量人力、財力資源選擇一個尚未成型的市場項目，顯然是不明智的。
此外，在與硅基芯片的特性對比后，大家可能會產生“碳芯片的制程難度低于硅芯片”的誤解，但實際上，如果單從容量來看，碳基芯片的制程難度的確低于現有的硅基芯片，這是因為碳基芯片可容納晶體管數量要高于硅芯片，碳晶圓的晶體管架空性也優于硅晶圓。但是，由于碳原子有4個自由電子，碳晶體管本身具有較高的導熱性與電子活潑性，導致碳晶體管的內部結構十分不穩定，提高了芯片廠商對芯片自主可控電阻、電流的難度。這對于小規模生產來說沒有影響，但若想大規模量產，需要芯片代工廠商擁有像實驗室一樣的環境、技術條件，顯然是不太現實的，這也是碳基芯片實際量產難度高于硅基芯片的原因。
另外，針對網上流傳的的碳基芯片可避開EUV光刻機的謠言，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7nm及以下的芯片，如今有且只有一條路，那就是通過EUV光刻機。
寫在最后
不(bu)可否(fou)認的(de)(de)是，與硅(gui)基(ji)(ji)芯片(pian)(pian)相比，碳基(ji)(ji)芯片(pian)(pian)的(de)(de)優勢的(de)(de)確很大。但在當前的(de)(de)探索階段，全球各國都尚未(wei)在石墨烯芯片(pian)(pian)領域有真(zhen)正的(de)(de)突破(po)。如果隨著技術(shu)的(de)(de)進一步發展，碳基(ji)(ji)芯片(pian)(pian)在未(wei)來(lai)能夠實現大規(gui)模量產，國內積累的(de)(de)相關技術(shu)優勢才能真(zhen)正實現彎道超車，使我國的(de)(de)半導體產業更加完善，并開啟一個全新的(de)(de)芯片(pian)(pian)時代。
11月28日
國產物聯網操作系統即將重磅發布！
