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2016年以前，芯片行業(yè)內(nèi)有聲音認為：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？對此，目前各大半導體廠商都沒有明確的答案。
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。
事實上，硅材料并非從一開始就是首選。在硅之前，主流芯片材料是鍺，但鍺的“硬傷”，主要有三個：
一是含量少。鍺在地殼中的含量僅為一百萬分之七且極為分散，被稱為“稀散金屬”。沒有集中的“鍺礦”，導致鍺的開采成本十分高昂，也很難實現(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，最多只能承受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”，恰好都是硅的長處。硅在地殼中的含量高達26.3%，僅次于氧(48.6%)，是含量第二高的元素。在穩(wěn)定性方面，硅也強于鍺。在提純方面，現(xiàn)在的技術已經(jīng)能將純度無限提升至接近100%。
自從仙童公司發(fā)明了硅晶體管的平面處理技術，讓硅在芯片中的應用變得簡單高效，硅就逐漸成為了芯片制造的主流材料。
如今，硅遇到了什么問題？
芯片發(fā)展的趨勢，可以簡單總結為：體積更小、性能更強。要朝這個方向發(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，當然這同時也意味著更高的制造難度。
這就好比房間越來越小，但里面要裝的東西卻越來越多，不管采用什么樣的“收納”方式，總有一天，這個房間會“過載”。
漏電和散熱不佳，就是硅芯片“過載”產(chǎn)生的問題。
實際上，這兩個問題并不是在當前芯片制程工藝走到了7nm這一時期，才突然出現(xiàn)的。在硅芯片發(fā)展歷程中，這樣的問題也多次出現(xiàn)，但各大廠商都用各種方式巧妙解決了。運用新的材料，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，也是一項挑戰(zhàn)。
即使現(xiàn)在的7nm芯片并沒有像過去預測的那樣，達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“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，達摩院發(fā)布的“2020十大科技趨勢”預測：新材料的全新物理機制，將實現(xiàn)全新的邏輯、存儲及互聯(lián)概念和器件，推動半導體產(chǎn)業(yè)的革新。例如，拓撲絕緣體、二維超導材料等，能夠?qū)崿F(xiàn)無損耗的電子輸運和自旋輸運，可以成為全新的高性能邏輯器件和互聯(lián)器件的基礎。
著名華裔科學家張首晟就在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)實驗成功。如果這種新的拓樸絕緣體材料最終能夠成功地應用到半導體和芯片產(chǎn)業(yè)中，將帶來巨大的商機，也將造就一個新的硅谷時代。
當然，目前拓樸絕緣體在芯片制造領域的應用，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)熱的問題，但未來這種材料該怎么用、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領域。
另一種新材料——二維超導材料，是時下半導體行業(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，石墨烯是最突出的一個。
之所以看好石墨烯，是因為它除了“二維”這個屬性外，還有一個身份——碳納米材料。早在2012年，IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會)就在《超越摩爾》中寫道，未來半導體工業(yè)可能從“硅時代”進入“碳時代”。碳納米材料石墨烯可能在未來代替原來的硅基材料。
碳納米管是由石墨烯片卷成的無縫、中空的管體，導電性能極好，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?。淮送?，碳納米管本身產(chǎn)熱很少，加上有良好的導熱性，因此能夠減少能耗；此外，從開采成本考量，碳的分布廣泛，獲取成本并不高。
更重要的是，石墨烯作為人類最早發(fā)現(xiàn)的二維材料，其應用已經(jīng)在屏幕、電池、可穿戴設備上出現(xiàn)，石墨烯的研究已經(jīng)到了相對成熟的階段。因此，石墨烯最為有望成為新的主流芯片材料，取代硅的地位。
目前中國自主研發(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)化過程中，與國際先進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上來說的，如果未來碳納米材料能夠成為主流，那么中國是否有機會在這個節(jié)點上，實現(xiàn)彎道超車？
首先，中國的碳納米管器件研究與國際前沿水平差距不大。國際上最早實現(xiàn)碳納米管器件制備的是IBM，2017年IBM通過使用碳納米管將晶體管尺寸縮小到40nm；同年，北京大學研制了120nm的碳納米管晶體管，在0.8伏特電壓下的跨導，為已發(fā)表的碳納米管器件中的最高值。
但任何技術的發(fā)展都不會一帆風順。石墨烯在芯片制造領域的應用面臨著三大難題：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)在中國已經(jīng)率先實現(xiàn)石墨烯單晶晶圓的規(guī)?；苽洌诋斍暗闹谱鞴に囅?，還是容易出現(xiàn)褶皺、點缺陷和污染的情況；最后，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)定運行。
簡單總結來說，石墨烯還是一個比較新的材料。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跟進上，還有許多難題需要解開。
對中國而言，在技術新舊交替的節(jié)點上，無疑存在著彎道超車的機會。但需要正視的問題是：國內(nèi)對新概念往往過于狂熱。石墨烯在芯片等眾多領域確實大有潛力，但從發(fā)現(xiàn)潛力到產(chǎn)業(yè)化，中間需要的是腳踏實地的研究，也需要大眾對新技術研發(fā)失敗的包容。
中國芯片的彎道超車，不僅僅需要“新”材料，更需要的是“新”的產(chǎn)學研體系，以及更加開放包容的投資環(huán)境。
但3nm以下的芯片該怎么發(fā)展？對此，目前各大半導體廠商都沒有明確的答案。
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。
事實上，硅材料并非從一開始就是首選。在硅之前，主流芯片材料是鍺，但鍺的“硬傷”，主要有三個：
一是含量少。鍺在地殼中的含量僅為一百萬分之七且極為分散，被稱為“稀散金屬”。沒有集中的“鍺礦”，導致鍺的開采成本十分高昂，也很難實現(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，最多只能承受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”，恰好都是硅的長處。硅在地殼中的含量高達26.3%，僅次于氧(48.6%)，是含量第二高的元素。在穩(wěn)定性方面，硅也強于鍺。在提純方面，現(xiàn)在的技術已經(jīng)能將純度無限提升至接近100%。
自從仙童公司發(fā)明了硅晶體管的平面處理技術，讓硅在芯片中的應用變得簡單高效，硅就逐漸成為了芯片制造的主流材料。
如今，硅遇到了什么問題？
芯片發(fā)展的趨勢，可以簡單總結為：體積更小、性能更強。要朝這個方向發(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，當然這同時也意味著更高的制造難度。
這就好比房間越來越小，但里面要裝的東西卻越來越多，不管采用什么樣的“收納”方式，總有一天，這個房間會“過載”。
漏電和散熱不佳，就是硅芯片“過載”產(chǎn)生的問題。
實際上，這兩個問題并不是在當前芯片制程工藝走到了7nm這一時期，才突然出現(xiàn)的。在硅芯片發(fā)展歷程中，這樣的問題也多次出現(xiàn)，但各大廠商都用各種方式巧妙解決了。運用新的材料，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，也是一項挑戰(zhàn)。
即使現(xiàn)在的7nm芯片并沒有像過去預測的那樣，達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“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，達摩院發(fā)布的“2020十大科技趨勢”預測：新材料的全新物理機制，將實現(xiàn)全新的邏輯、存儲及互聯(lián)概念和器件，推動半導體產(chǎn)業(yè)的革新。例如，拓撲絕緣體、二維超導材料等，能夠?qū)崿F(xiàn)無損耗的電子輸運和自旋輸運，可以成為全新的高性能邏輯器件和互聯(lián)器件的基礎。
著名華裔科學家張首晟就在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)實驗成功。如果這種新的拓樸絕緣體材料最終能夠成功地應用到半導體和芯片產(chǎn)業(yè)中，將帶來巨大的商機，也將造就一個新的硅谷時代。
當然，目前拓樸絕緣體在芯片制造領域的應用，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)熱的問題，但未來這種材料該怎么用、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領域。
另一種新材料——二維超導材料，是時下半導體行業(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，石墨烯是最突出的一個。
之所以看好石墨烯，是因為它除了“二維”這個屬性外，還有一個身份——碳納米材料。早在2012年，IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會)就在《超越摩爾》中寫道，未來半導體工業(yè)可能從“硅時代”進入“碳時代”。碳納米材料石墨烯可能在未來代替原來的硅基材料。
碳納米管是由石墨烯片卷成的無縫、中空的管體，導電性能極好，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?。淮送?，碳納米管本身產(chǎn)熱很少，加上有良好的導熱性，因此能夠減少能耗；此外，從開采成本考量，碳的分布廣泛，獲取成本并不高。
更重要的是，石墨烯作為人類最早發(fā)現(xiàn)的二維材料，其應用已經(jīng)在屏幕、電池、可穿戴設備上出現(xiàn)，石墨烯的研究已經(jīng)到了相對成熟的階段。因此，石墨烯最為有望成為新的主流芯片材料，取代硅的地位。
目前中國自主研發(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)化過程中，與國際先進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上來說的，如果未來碳納米材料能夠成為主流，那么中國是否有機會在這個節(jié)點上，實現(xiàn)彎道超車？
首先，中國的碳納米管器件研究與國際前沿水平差距不大。國際上最早實現(xiàn)碳納米管器件制備的是IBM，2017年IBM通過使用碳納米管將晶體管尺寸縮小到40nm；同年，北京大學研制了120nm的碳納米管晶體管，在0.8伏特電壓下的跨導，為已發(fā)表的碳納米管器件中的最高值。
但任何技術的發(fā)展都不會一帆風順。石墨烯在芯片制造領域的應用面臨著三大難題：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)在中國已經(jīng)率先實現(xiàn)石墨烯單晶晶圓的規(guī)?；苽洌诋斍暗闹谱鞴に囅?，還是容易出現(xiàn)褶皺、點缺陷和污染的情況；最后，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)定運行。
簡單總結來說，石墨烯還是一個比較新的材料。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跟進上，還有許多難題需要解開。
對中國而言，在技術新舊交替的節(jié)點上，無疑存在著彎道超車的機會。但需要正視的問題是：國內(nèi)對新概念往往過于狂熱。石墨烯在芯片等眾多領域確實大有潛力，但從發(fā)現(xiàn)潛力到產(chǎn)業(yè)化，中間需要的是腳踏實地的研究，也需要大眾對新技術研發(fā)失敗的包容。
中國芯片的彎道超車，不僅僅需要“新”材料，更需要的是“新”的產(chǎn)學研體系，以及更加開放包容的投資環(huán)境。
