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(de)選擇。
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)。
如果你認為(wei)手(shou)機等智能設(she)備(bei)改(gai)變(bian)了(le)世界，那正(zheng)是(shi)(shi)因為(wei)這(zhe)(zhe)些偉大(da)的(de)(de)發明首先改(gai)變(bian)了(le)這(zhe)(zhe)些設(she)備(bei)。在(zai)閱讀這(zhe)(zhe)篇文章時(shi)，我們手(shou)上也正(zheng)握(wo)著數(shu)項諾(nuo)獎(jiang)級(ji)的(de)(de)成果。對于智能設(she)備(bei)而言，經過了(le)十(shi)幾年的(de)(de)發展， 性(xing)能的(de)(de)提(ti)升依然是(shi)(shi)消(xiao)費者和廠商最為(wei)關注的(de)(de)要點，更具體來說，這(zhe)(zhe)很大(da)程(cheng)度上取決于設(she)備(bei)中(zhong)芯片性(xing)能的(de)(de)提(ti)升。
在摩(mo)爾定律應用的(de)近(jin)60年時間(jian)里，計算機從艾(ai)尼阿克這樣的(de)龐然大物變成(cheng)每個(ge)人(ren)都不(bu)可或缺的(de)便攜式設備，信息技(ji)術(shu)也(ye)由(you)軍(jun)事實驗室進入(ru)無數個(ge)普通家庭之中(zhong)。不(bu)過(guo)，芯(xin)片性(xing)能的(de)提升，目前還主要依賴于(yu)制(zhi)造工(gong)藝的(de)升級，而由(you)于(yu)愈(yu)發(fa)逼近(jin)物理極(ji)限，工(gong)藝研(yan)發(fa)難度不(bu)斷加大，“摩(mo)爾定律”將失(shi)效的(de)聲音也(ye)越來(lai)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(you)于(yu)高純硅的(de)獨特性，導致其(qi)集成(cheng)度(du)越(yue)高，晶體管的(de)價格(ge)越(yue)便宜，這樣也就使得摩爾定律(lv)產生了經濟學(xue)效益。在1990年左右(you)，一個(ge)晶體管要(yao)10美元左右(you)，但(dan)隨著(zhu)晶體管越(yue)來(lai)越(yue)小(xiao)(xiao)，小(xiao)(xiao)到(dao)一根(gen)頭(tou)發絲上可(ke)以放上千(qian)晶體管時，每(mei)個(ge)晶體管的(de)價格(ge)就下(xia)降至此前的(de)千(qian)分之(zhi)一。
就在本月，先后發(fa)布的(de)聯發(fa)科天璣9200和高通驍龍8 Gen2兩(liang)款旗艦處理(li)器，采(cai)用的(de)都是臺(tai)積(ji)電4nm工藝，但卻并沒(mei)有使用3nm工藝。從本質上(shang)來說，臺(tai)積(ji)電4nm工藝其實(shi)是基于2020年(nian)的(de)5nm工藝節點的(de)改名而已，這一幕其實(shi)在臺(tai)積(ji)電的(de)6nm工藝時就發(fa)生過，6nm本質上(shang)也是7nm工藝節點的(de)改進(jin)。
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(zhe)也進一步迫(po)使(shi)企業(ye)尋求性(xing)價比更高的(de)技術路(lu)線來滿足產業(ye)界日益增長(chang)的(de)芯片性(xing)能的(de)需求。而且(qie)隨著摩爾定(ding)律不斷逼近極限，現在的(de)硅基(ji)半導體技術很快會碰到極限，1nm及以下工藝就很難制造了(le)，在多(duo)個(ge)新的(de)技術方向中，石墨烯芯片是其中一個(ge)選項，國(guo)內(nei)也有多(duo)家公(gong)司組建聯盟攻關這(zhe)一技術。
石墨烯芯片能否彎道超車？
據(ju)(ju)介紹，石墨烯是一類由單層以碳(tan)原子六(liu)方晶格(ge)排列構成的特殊材料，強度大(da)約是鋼的200倍，厚度是頭發(fa)(fa)的20萬分之(zhi)一，導(dao)(dao)電性和(he)導(dao)(dao)熱(re)性均(jun)高于銅，每平方米的重(zhong)量不到1毫克。同時，它還具有高電導(dao)(dao)率和(he)導(dao)(dao)熱(re)系數，因(yin)此在(zai)(zai)散熱(re)、電池及芯(xin)片等各個領域都有極大(da)的發(fa)(fa)展潛力，能(neng)使數據(ju)(ju)傳輸更(geng)快(kuai)，也符合現在(zai)(zai)高性能(neng)、低功耗(hao)芯(xin)片的發(fa)(fa)展趨勢(shi)。
早在2010年時(shi)，IBM就曾展示(shi)過石墨烯(xi)晶(jing)(jing)圓，晶(jing)(jing)體管(guan)頻率(lv)可達(da)100GHz以上(shang)，理論上(shang)還可以制造出500GHz到(dao)1000GHz的(de)石墨烯(xi)芯片(pian)。相比之下，現階段基(ji)于硅(gui)材(cai)料的(de)處理器，超頻記錄(lu)也沒有超過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，工信部(bu)批復組(zu)建國(guo)家石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)創(chuang)(chuang)新中心等三家國(guo)家制(zhi)造業(ye)創(chuang)(chuang)新中心。創(chuang)(chuang)新中心將面(mian)向石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)產(chan)業(ye)發展(zhan)(zhan)的薄弱環節，圍繞石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)材料(liao)規模(mo)化(hua)制(zhi)備、石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)材料(liao)產(chan)業(ye)化(hua)應用和(he)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)行業(ye)質量提升(sheng)等研發方向，開展(zhan)(zhan)關鍵共(gong)性技術攻關，支(zhi)撐打造貫穿(chuan)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)領域創(chuang)(chuang)新鏈(lian)、產(chan)業(ye)鏈(lian)、資金鏈(lian)、人才鏈(lian)和(he)價(jia)值鏈(lian)的創(chuang)(chuang)新體系，助推國(guo)內石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯(xi)(xi)(xi)產(chan)業(ye)進一步(bu)創(chuang)(chuang)新發展(zhan)(zhan)。
可繞過光刻機？石墨烯芯片沒那么“神”
由(you)于碳元素比(bi)較穩定(ding)，具有易于成型和(he)機械加工的特(te)性，業界(jie)一直(zhi)有傳言稱碳基(ji)芯片(pian)的制造完全可以繞(rao)開復(fu)雜的EUV光(guang)刻設(she)備，石墨烯晶圓也將實(shi)現碳基(ji)芯片(pian)的量產(chan)。
2021年5月(yue)，在(zai)中(zhong)(zhong)芯(xin)國(guo)際(ji)(ji)的(de)互動平臺上，就(jiu)有(you)投資者提出(chu)：“貴司(si)是(shi)否愿意與中(zhong)(zhong)科院合作(zuo)研(yan)發石(shi)墨烯(xi)碳基芯(xin)片項目”的(de)問題作(zuo)出(chu)回應。當時，中(zhong)(zhong)芯(xin)國(guo)際(ji)(ji)就(jiu)表示公司(si)的(de)業務未涉及石(shi)墨烯(xi)晶圓領域(yu)(yu)，這也打消了(le)早先網上流傳(chuan)的(de)有(you)關于“中(zhong)(zhong)芯(xin)國(guo)際(ji)(ji)可以依靠石(shi)墨烯(xi)芯(xin)片，在(zai)半導(dao)體(ti)領域(yu)(yu)中(zhong)(zhong)彎道超(chao)車”的(de)謠(yao)言。對(dui)此，中(zhong)(zhong)科院團隊也表示其(qi)并(bing)未說過類似(si)“我國(guo)是(shi)世界上唯一(yi)能夠生產8英寸(cun)石(shi)墨烯(xi)晶圓”的(de)言論，望大家不要(yao)被誤導(dao)。
事實上(shang)，在美國(guo)(guo)對半(ban)導體行業(ye)(ye)實行技(ji)術限制的(de)大背(bei)景(jing)下，中芯(xin)國(guo)(guo)際很難做到既兼顧解決(jue)國(guo)(guo)內芯(xin)片自給(gei)問題，又(you)做好(hao)石墨(mo)烯晶(jing)圓的(de)新項目(mu)研究。即便可以，考慮到市(shi)場(chang)、成(cheng)本(ben)、技(ji)術等問題，硅基(ji)產(chan)品(pin)(pin)在很長時間內，依舊會(hui)處于(yu)業(ye)(ye)界主導地位，目(mu)前的(de)碳基(ji)芯(xin)片基(ji)本(ben)上(shang)還處于(yu)概念階段(duan)，并沒(mei)有實際可以量產(chan)的(de)成(cheng)品(pin)(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)可否認的(de)(de)(de)是，與(yu)硅(gui)基(ji)芯(xin)片(pian)相比，碳基(ji)芯(xin)片(pian)的(de)(de)(de)優(you)勢(shi)(shi)的(de)(de)(de)確很大(da)。但(dan)在當前的(de)(de)(de)探(tan)索階段，全球各國(guo)都(dou)尚(shang)未(wei)(wei)在石墨烯芯(xin)片(pian)領域有(you)真正(zheng)的(de)(de)(de)突(tu)破。如果隨著技術的(de)(de)(de)進一(yi)(yi)步發展，碳基(ji)芯(xin)片(pian)在未(wei)(wei)來(lai)能夠實現大(da)規(gui)模量產，國(guo)內積累的(de)(de)(de)相關技術優(you)勢(shi)(shi)才(cai)能真正(zheng)實現彎道超車(che)，使我(wo)國(guo)的(de)(de)(de)半導體(ti)產業更加(jia)完善，并開(kai)啟(qi)一(yi)(yi)個(ge)全新的(de)(de)(de)芯(xin)片(pian)時代。
11月28日
國產物聯網操作系統即將重磅發布！
