有望成为下代芯片材料,碳基芯片的关键在哪?能绕开荷兰光刻机吗

有望成为下代芯片材料,碳基芯片的关键在哪?能绕开荷兰光刻机吗,第1张

我们先说说碳基芯片是不是靠谱的。

2020年5月在美国知名杂志《科学》上,北大团队刊登了一篇关于碳基半导体的论文,文中提到了“高密度碳纳米管”的提取和组装方法,业界更是将这一成果称为——碳基半导体进入规模工业化的基础,通俗讲就是利用这个方法提取的碳纳米管,可以用来制取芯片。

目前制取芯片的材料是硅基,而碳纳米管制取的碳基芯片,相比于传统硅基在成本、性能和功耗上更加具有优势。而且碳基芯片最突出的一个地方就是,28纳米制程的碳基芯片与目前主流7纳米硅基芯片的性能相当,所以我们只需用28纳米的光刻机,便可以获得全球最先进EUV光刻机的效果。

这样看来碳基芯片确实是比较靠谱的,中国在碳基半导体的提取技术上,也已经做到了行业顶尖水平。那么台积电这些已经将硅基芯片做到工艺极限的大厂,为什么要用咋们的碳基材料,将行业话语权乖乖交出来呢?

问题不是台积电或者整个芯片行业想不想用,而是他们——必须要面临这一步的选择。而这一切就要从芯片业界的一条至尊定律——摩尔定律说起。1965年美国人戈登摩尔提出了一条芯片定律,遵循这条定律,硅基芯片的性能每隔两年左右就会翻一倍,具体表现在芯片的制程有规律提高。但是硅基芯片进入5纳米、乃至2纳米制程以下后,人类的加工工艺也逼近了极限,所以摩尔定律正在逐渐失去“预言“的作用。

而这正是由于硅基芯片本身的物理性质所限制的,往更小的制程做、芯片中的晶体管更小时,硅基芯片会出现漏电效应和短沟道效应等问题,而用碳基材料来做晶体管,就不用做这么小,不用去逼近工艺极限,就可以获得与硅晶体管同等的性能。所以芯片从业者们要么继续寻求破解的技术,要么就更换制作芯片的材料,这是今后芯片行业必须面对的抉择。

所以碳基芯片的方向是有一定可行性的。要知道数码相机的诞生,打败了胶片大厂柯达,智能手机的出现干掉了翻盖巨头诺基亚,所以我们不能忽视中国芯片行业的任何一次机会。

但除了看到碳基芯片给中国半导体行业,带来的一线生机外呢,还要理性看待碳基芯片存在的技术障碍和研发周期。北大碳纳米管提取团队的带头人彭练矛教授曾表示,该团队的下一步目标是在3年内完成90纳米碳基CMOS先导工艺的开发,性能上相当于28纳米的硅基芯片。也就是说,我们在这几年是要完成90纳米碳基芯片的工艺研发,也就是将90纳米碳基芯片设计出来,其性能相当于28纳米的硅基芯片,相比于目前硅基芯片5纳米的一线水平,我们刚好可以迈入门槛。

其次此次碳纳米管的提取是将碳基半导体技术,从实验室向着产业化应用推进了一大步,但是呢,在完全达到产业化之前,我们还有很长的一段距离要走。碳纳米管的提取仅是完成芯片众多制造步骤中的一小步——芯片材料的提取,后续芯片内部结构的制作步骤还有不少,在电路缩放版图的印刻上我们仍然需要用到光刻机,但对光刻机精度的需求没有像现在这样急迫。即使我们完成了硅基芯片的设计,但整个行业也没有生产制造的能力,而硅基芯片制造技术这一步也是我们必须面对的。

最后碳基芯片产业和生态的建立还需要一定的时间,而今后发展的趋势很可能是和硅基芯片产业链相融合。目前各大厂商在硅集成电路产业投入了巨额资金研发,完善了芯片设计、制造和封装等一系列环节,才有了今天如此成熟的硅基芯片产业链。如果行业最终选择碳基芯片、以及碳基芯片的技术愈发成熟时,产业链和生态的更换,或者因为碳基芯片和硅基芯片有着技术交叉,我们可以进行产业链的融合时,都是需要一个时间周期。

所以我们现在虽然有了领先的碳基半导体技术,在碳基芯片的发展上有一定的先发、主导优势。但是我们仍然要埋头发展整个芯片产业链,更不能沉醉于马上弯道超车的幻想中。短时间内,华为的芯片困境不会改变,中国芯片行业的障碍不会解除。

碳基芯片一般来说就是以碳基材料制作的碳纳米晶体管芯片。相比于传统的硅材料芯片,碳材料的电子特性似乎更加优越,而且随着硅材料芯片的极限制程即将面临瓶颈,在材料、技术和设计等方面都会出现物理限制,制造微小芯片的工艺难度也会增大,想要更加深入发展和研发芯片,寻找新的材料似乎已经是必需的,这时候特性优越的碳基材料会是一种非常不错的选择。关于碳基芯片的消息也一直广为流传,也被很多人认为以后很可能会取代硅芯片,就让我们拭目以待吧。尽管最近这些年我国的科技发展水平已经得到很大提高,特别是在半导体行业中取得了不少进步和突破,不过距离欧美发达国家仍然有不小差距,特别是在半导体领域,一些关键的核心领先技术依然掌握在欧美国家手中,这对于我们来说,发展半导体技术任重而道远。美国之所以能够对华为的不断打压限制,就是因为他们站在技术高点,这对于我们的科技发展造成了很大的阻碍,想要完成突破和封锁就只能迎难而上。如今我国的半导体制造行业正面临着被“卡脖子”的状况,我国在半导体材料、设计到生产的这一全产业链中缺乏核心技术以及较好的研发能力,很长时间以来都只能购买欧美的芯片。虽然这些年来我们已经很努力地去追赶,但是国内的半导体设计和制造工艺还未能达到先进水平,只能去买别人的东西,而且连最先进的光刻机我们想买都买不到。这样受制于人的情况,长期下去对我们是很不利的,别人一旦封锁和限制,我们就会举步维艰,就会阻碍我国实现现代化进程,提升自研芯片的技术水平势在必行。如今随着我国科学家在碳基芯片领域的不断摸索,已经是取得了一定的进展和突破,而且据说碳基芯片的性能会比硅基芯片性能要更加突出,这对于陷入困难局面的我国芯片行业来说是个好消息,如果能够在碳基领域得到发展和领先,或许可以对欧美半导体技术实现弯道超车,摆脱对于别人的技术依赖。不过想要用碳基芯片取代硅基芯片也还没有那么容易,虽然现在能够在实验室中制造出碳晶体管,但是想要拼接组合形成芯片量产还需要做大量的研制,将碳晶体管排布在晶圆片同样需要高精尖的技术才行,很多技术障碍仍然需要去攻克,因此想要完成商业化量产,还需要更多耐心和努力。不过相信我们的科学家,一定可以在未来完成更多的突破。

您好,很高兴回答的您问题,以下是我的个人观点。

当然是真事儿,而且这个芯片有很多优势。

硅基芯片的发展上,中国面对重重障碍,EDA软件、IP、晶圆、生产工艺、设备等等的技术都遭到技术封锁,高端芯片产业链几乎没有中国的份额,华为海思很不容易搞出芯片来,马上就遭到美国的打压。

但是最近出来了一个好消息,北京元芯碳基集成电路研究院中国科学院院士、北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的团队,经过多年的研究和实践,解决了长期困扰他们基半导体材料制备的瓶颈,如材料的纯度,密度与面积等问题。

碳基芯片的优势,成本更低,功耗更低,效率更高,是一种很好的半导体材料,很可能是下一代晶体管集成电路的最理想材料,如果研发成功,到时候芯片内部的晶体管的栅极就是更优秀的碳材料。

早在2017年的时候,彭练矛的团队就研制出高性能五纳米的栅长碳纳米管CMOS器件,这是当时世界上最小的高性能晶体管,它的综合性能比最好的危机晶体管高出了十倍,但是能耗却比硅材料的晶体管少了3/4,当时也登在了自然科学杂志上。

碳基技术,真的会在不久的将来应用在国防科技,卫星导航,气象监测,人工智能,医疗器械这些与国家和人民生活息息相关的重要领域。

彭练矛说“相对于一些时髦的新应用技术,类似芯片这样的基础性研究应该获得更多的关注,因为它对于一个国家的科技实力提升起着更为核心和支撑的作用。”

但是我认为要是投入到工业生产,还是要经过很长的一段路程,希望他们能快点找到解决办法,所以,要真正做到芯片国产化,不仅要提高芯片研发能力和生产能力,还需要提高我国的光刻机研发的制造能力,这些科技都需要花费很长时人力物力和资金,虽然困难重重,我依然认为不久的将来一定会实现的。


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