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早在互聯(lián)網(wǎng)混沌初開(kāi)之時(shí)便已經(jīng)誕生的摩爾定律，近年來(lái)逐漸開(kāi)始失效。自芯片制程工藝進(jìn)入7nm時(shí)代以來(lái)，制程紅利日漸消失，技術(shù)發(fā)展的成本被不斷堆高。這使得包括英特爾在內(nèi)的部分廠商在制程工藝上的發(fā)展日漸受阻。
摩爾定律的逐漸失效是因?yàn)樵诂F(xiàn)有的芯片制造技術(shù)下晶體管都處在一個(gè)平面上，其數(shù)量不可能無(wú)限增長(zhǎng)下去。理論上，芯片的極限制程大約為2nm，現(xiàn)在的芯片制造工藝已經(jīng)在逼近這個(gè)極限。雖然IBM等廠商在嘗試3D芯片封裝工藝以延續(xù)摩爾定律，但在3D堆疊上仍然還存在一些技術(shù)問(wèn)題。
另一方面，目前我國(guó)的芯片制造行業(yè)在技術(shù)上落后于世界，較世界先進(jìn)水平仍有距離。特別是先進(jìn)制程工藝芯片的制造在國(guó)內(nèi)仍屬空白，這使得我國(guó)一些高精尖領(lǐng)域?qū)π酒男枨笸耆蕾囘M(jìn)口。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年我國(guó)在服務(wù)器和計(jì)算機(jī)中的CPU國(guó)產(chǎn)市占率僅為不到0.5%，國(guó)產(chǎn)芯片在高性能計(jì)算市場(chǎng)中幾乎沒(méi)有存在感。
功耗降低50倍，不用進(jìn)口光刻機(jī)，國(guó)產(chǎn)芯片要靠“碳”超車？
如今，以中芯國(guó)際為代表的中國(guó)芯片代工廠商雖然正在迎頭趕上，但要跨越發(fā)達(dá)國(guó)家在芯片領(lǐng)域用幾十年時(shí)間累積的技術(shù)護(hù)城河，需要新的機(jī)遇。基于納米碳材料晶體管的碳基芯片技術(shù)，也許就是未來(lái)國(guó)產(chǎn)芯片實(shí)現(xiàn)趕超的機(jī)會(huì)。
在芯片行業(yè)整體呼喚變革的當(dāng)下，或許對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)這條路上存在新的可能。
替代硅基的次世代技術(shù)——碳基芯片
目前，由于硅基芯片的發(fā)展已經(jīng)逼近極限，各大芯片廠商紛紛尋找芯片行業(yè)在未來(lái)新的發(fā)展方向，碳基芯片就是這其中一顆閃亮的新星。
碳基芯片即基于納米碳材料晶體管制造的芯片，碳基芯片已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者和知名芯片制造企業(yè)認(rèn)為是最可能代替硅基芯片的次時(shí)代技術(shù)。
由于石墨烯和納米碳管特殊的幾何結(jié)構(gòu)，電子在這些材料中的傳輸速度大大超出了目前的硅基材料。同時(shí)，納米碳結(jié)構(gòu)中沒(méi)有金屬中那種可以導(dǎo)致原子運(yùn)動(dòng)的低能缺陷或位錯(cuò)，使得其能夠承受的電流強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出目前集成電路中銅互連能承受的電流上限。
這些性質(zhì)使得納米碳成為了最理想的納米尺度的導(dǎo)電材料。
用納米碳作為材料制造的晶體管，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，其功耗表現(xiàn)優(yōu)于硅晶體管5倍；碳基集成電路的功耗綜合表現(xiàn)優(yōu)于當(dāng)前技術(shù)50倍。
此外，納米碳材料加工溫度低，工作功耗低的特點(diǎn)，使得其易于三維異構(gòu)集成，能夠克服三維集成電路面臨的技術(shù)問(wèn)題。理論上，采用納米碳材料的三維集成電路與硅基三維集成電路相比功耗具有1000倍的綜合優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于我國(guó)在芯片領(lǐng)域技術(shù)落后的現(xiàn)狀，碳基芯片的制造還具有成本低，門檻低的優(yōu)點(diǎn)。
碳基芯片的材料決定了采用在芯片制造領(lǐng)域中相對(duì)簡(jiǎn)單的平面器件工藝，就可以實(shí)現(xiàn)5nm制程。另外，碳基芯片的制造仍然可以沿用目前的硅基芯片制造設(shè)備，且在設(shè)備比目前先進(jìn)制程工藝設(shè)備落后三代的情況下，仍然可以使得芯片性能與目前先進(jìn)硅基芯片相當(dāng)，這使得我國(guó)芯片制造行業(yè)在新賽道上突破“卡脖子”成為可能。
要想實(shí)現(xiàn)碳基芯片的量產(chǎn)，高質(zhì)量的碳晶體管制備技術(shù)至關(guān)重要。根據(jù)IBM沃森研究中心對(duì)碳納米管集成電路的規(guī)劃，理想的碳納米管材料應(yīng)為定向排列的碳納米管陣列，最佳間距為5-10nm，即碳管排列密度為100~200根/μm。此外，納米碳管半導(dǎo)體純度必須大于99.9999%，該純度也被成為“六個(gè)九水平”。
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)制備高半導(dǎo)體純度碳納米管已經(jīng)有了一定的研究。2013年IBM的Cao等人制出了半導(dǎo)體純度達(dá)到99%的碳納米管，但該方法制備出的碳納米管密度將會(huì)達(dá)到500根/μm，碳納米管的純度和密度都不滿足生產(chǎn)所需。
2016年，北京大學(xué)的彭練矛研究組發(fā)現(xiàn)了一種“蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝”的方法可以在微米尺度上排列碳納米管。隨后，該課題組在2020年通過(guò)“維度限制自組裝”和“DNA限制自組裝”的方法制備得到了半導(dǎo)體濃度符合“六個(gè)九水平”，密度保持在100~200根/μm的碳納米管，這標(biāo)志著我國(guó)碳納米管的制備工藝已經(jīng)達(dá)到了碳基芯片所需的技術(shù)奇點(diǎn)。
功耗降低50倍，不用進(jìn)口光刻機(jī)，國(guó)產(chǎn)芯片要靠“碳”超車？
而對(duì)于碳基集成電路的探索，全世界目前都尚處在起步階段。自2013年斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)出首臺(tái)完全使用碳納米管打造并能夠成功運(yùn)行簡(jiǎn)單程序的電腦以來(lái)，對(duì)該領(lǐng)域的探索就從未止步。2020年，我國(guó)彭練矛-張志勇團(tuán)隊(duì)最新成果中碳基集成電路速度達(dá)到了8.06GHz，處于世界一流水平。
總的來(lái)看，硅基芯片的發(fā)展總有盡頭，而碳基芯片目前看來(lái)最可能是硅基芯片在未來(lái)的接棒人。目前，我國(guó)在碳基芯片上的理論和實(shí)踐積累都處于世界前列，碳基芯片或許將會(huì)成為我國(guó)芯片行業(yè)突破技術(shù)護(hù)城河，走向世界的關(guān)鍵。
打破先進(jìn)光刻機(jī)封鎖，國(guó)產(chǎn)“芯”彎道超車的機(jī)會(huì)
對(duì)于這條芯片領(lǐng)域的新賽道，我國(guó)各界都相當(dāng)關(guān)注。
從技術(shù)角度來(lái)講，我國(guó)目前在芯片領(lǐng)域最受擎肘的并不是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，而是其制造環(huán)節(jié)。臺(tái)積電和三星擁有著目前最先進(jìn)的5nm芯片制程工藝，而他們技術(shù)的共同點(diǎn)，就是使用了來(lái)自荷蘭ASML公司的EUV光刻機(jī)。
一般來(lái)講，主流光刻機(jī)技術(shù)分為DUV和EUV技術(shù)，前者意為“深紫外線”，而后者則為“極深紫外線”。DUV光刻機(jī)可以做到25nm制程，Intel憑借雙工作臺(tái)模式使其能夠達(dá)到10nm制程工藝。但10nm以下的制程工藝，目前只有EUV光刻機(jī)才能做到。由于西方國(guó)家封鎖，我國(guó)芯片制造企業(yè)目前無(wú)法購(gòu)買到EUV光刻機(jī)進(jìn)行先進(jìn)制程工藝芯片的制備。
