隨著摩爾定律逐漸失效，現(xiàn)在智能設(shè)備使用的硅基半導(dǎo)體技術(shù)很快會碰到極限，在多個新的技術(shù)方向中，石墨烯芯片或許是個不錯的選擇。

2000年10月10日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將本年度諾貝爾物理獎授予三位科學(xué)家，分別是俄羅斯圣彼得堡約飛物理技術(shù)學(xué)院的若爾斯-阿爾費羅夫、美國加利福尼亞大學(xué)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?yōu)楝F(xiàn)代信息技術(shù)的所作出的基礎(chǔ)性貢獻，特別是他們發(fā)明的快速晶體管、激光二極管和集成電路(芯片)。

如果你認為手機等智能設(shè)備改變了世界，那正是因為這些偉大的發(fā)明首先改變了這些設(shè)備。在閱讀這篇文章時，我們手上也正握著數(shù)項諾獎級的成果。對于智能設(shè)備而言，經(jīng)過了十幾年的發(fā)展， 性能的提升依然是消費者和廠商最為關(guān)注的要點，更具體來說，這很大程度上取決于設(shè)備中芯片性能的提升。

在摩爾定律應(yīng)用的近60年時間里，計算機從艾尼阿克這樣的龐然大物變成每個人都不可或缺的便攜式設(shè)備，信息技術(shù)也由軍事實驗室進入無數(shù)個普通家庭之中。不過，芯片性能的提升，目前還主要依賴于制造工藝的升級，而由于愈發(fā)逼近物理極限，工藝研發(fā)難度不斷加大，“摩爾定律”將失效的聲音也越來越大。

近日，在中國國際石墨烯創(chuàng)新大會上，國內(nèi)多家公司及機構(gòu)成立了石墨烯銅創(chuàng)新聯(lián)合體，成員包括正泰集團、上海電纜所與上海市石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺，其將面向全球“發(fā)榜”，協(xié)同開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，聚力解決一批“卡脖子”問題。該創(chuàng)新聯(lián)合體表示，希望能夠研發(fā)出基于石墨烯的芯片來取代傳統(tǒng)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

由于高純硅的獨特性，導(dǎo)致其集成度越高，晶體管的價格越便宜，這樣也就使得摩爾定律產(chǎn)生了經(jīng)濟學(xué)效益。在1990年左右，一個晶體管要10美元左右，但隨著晶體管越來越小，小到一根頭發(fā)絲上可以放上千晶體管時，每個晶體管的價格就下降至此前的千分之一。

就在本月，先后發(fā)布的聯(lián)發(fā)科天璣9200和高通驍龍8 Gen2兩款旗艦處理器，采用的都是臺積電4nm工藝，但卻并沒有使用3nm工藝。從本質(zhì)上來說，臺積電4nm工藝其實是基于2020年的5nm工藝節(jié)點的改名而已，這一幕其實在臺積電的6nm工藝時就發(fā)生過，6nm本質(zhì)上也是7nm工藝節(jié)點的改進。 這種“換湯不換藥”式的改名，意味著晶體管微縮技術(shù)發(fā)展的放緩。 如今，還在繼續(xù)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(fā)、制造費用也給公司帶來了巨大的成本壓力與投資風(fēng)險，這也進一步迫使企業(yè)尋求性價比更高的技術(shù)路線來滿足產(chǎn)業(yè)界日益增長的芯片性能的需求。而且隨著摩爾定律不斷逼近極限，現(xiàn)在的硅基半導(dǎo)體技術(shù)很快會碰到極限，1nm及以下工藝就很難制造了，在多個新的技術(shù)方向中，石墨烯芯片是其中一個選項，國內(nèi)也有多家公司組建聯(lián)盟攻關(guān)這一技術(shù)。

石墨烯芯片能否彎道超車？

據(jù)介紹，石墨烯是一類由單層以碳原子六方晶格排列構(gòu)成的特殊材料，強度大約是鋼的200倍，厚度是頭發(fā)的20萬分之一，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性均高于銅，每平方米的重量不到1毫克。同時，它還具有高電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)，因此在散熱、電池及芯片等各個領(lǐng)域都有極大的發(fā)展?jié)摿Γ苁箶?shù)據(jù)傳輸更快，也符合現(xiàn)在高性能、低功耗芯片的發(fā)展趨勢。 早在2010年時，IBM就曾展示過石墨烯晶圓，晶體管頻率可達100GHz以上，理論上還可以制造出500GHz到1000GHz的石墨烯芯片。相比之下，現(xiàn)階段基于硅材料的處理器，超頻記錄也沒有超過10GHz。

在全球IEEE國際芯片導(dǎo)線技術(shù)會議上，正式將石墨烯定位為下一代新型半導(dǎo)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(shù)十年來業(yè)界一直在研究大規(guī)模量產(chǎn)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(chǎn)，就有望打破現(xiàn)今的硅基芯片壟斷局面。在中國，各企業(yè)和科研院所近年來也一直在石墨烯領(lǐng)域集結(jié)發(fā)力，我國自主研發(fā)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(yīng)晶體管專利，也標志著中國在芯片研究領(lǐng)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(shù)申請量約占全球的80%，相關(guān)產(chǎn)品市場規(guī)模已達到160億元。 前不久，工信部批復(fù)組建國家石墨烯創(chuàng)新中心等三家國家制造業(yè)創(chuàng)新中心。創(chuàng)新中心將面向石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，圍繞石墨烯材料規(guī)?；苽?、石墨烯材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和石墨烯行業(yè)質(zhì)量提升等研發(fā)方向，開展關(guān)鍵共性技術(shù)攻關(guān)，支撐打造貫穿石墨烯領(lǐng)域創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈、人才鏈和價值鏈的創(chuàng)新體系，助推國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)進一步創(chuàng)新發(fā)展。

可繞過光刻機？石墨烯芯片沒那么“神”

由于碳元素比較穩(wěn)定，具有易于成型和機械加工的特性，業(yè)界一直有傳言稱碳基芯片的制造完全可以繞開復(fù)雜的EUV光刻設(shè)備，石墨烯晶圓也將實現(xiàn)碳基芯片的量產(chǎn)。 2021年5月，在中芯國際的互動平臺上，就有投資者提出：“貴司是否愿意與中科院合作研發(fā)石墨烯碳基芯片項目”的問題作出回應(yīng)。當(dāng)時，中芯國際就表示公司的業(yè)務(wù)未涉及石墨烯晶圓領(lǐng)域，這也打消了早先網(wǎng)上流傳的有關(guān)于“中芯國際可以依靠石墨烯芯片，在半導(dǎo)體領(lǐng)域中彎道超車”的謠言。對此，中科院團隊也表示其并未說過類似“我國是世界上唯一能夠生產(chǎn)8英寸石墨烯晶圓”的言論，望大家不要被誤導(dǎo)。

事實上，在美國對半導(dǎo)體行業(yè)實行技術(shù)限制的大背景下，中芯國際很難做到既兼顧解決國內(nèi)芯片自給問題，又做好石墨烯晶圓的新項目研究。即便可以，考慮到市場、成本、技術(shù)等問題，硅基產(chǎn)品在很長時間內(nèi)，依舊會處于業(yè)界主導(dǎo)地位，目前的碳基芯片基本上還處于概念階段，并沒有實際可以量產(chǎn)的成品出現(xiàn)。

與硅基芯片的發(fā)展軌跡類似，想要生產(chǎn)、研發(fā)碳基芯片，就必須有一套與之相匹配的完整產(chǎn)業(yè)鏈與大量的研發(fā)人員，這便產(chǎn)生了額外的成本。當(dāng)前半導(dǎo)體領(lǐng)域有關(guān)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(chǎn)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(xiàn)有的硅基芯片，這是因為碳基芯片可容納晶體管數(shù)量要高于硅芯片，碳晶圓的晶體管架空性也優(yōu)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(dǎo)熱性與電子活潑性，導(dǎo)致碳晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分不穩(wěn)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(guī)模生產(chǎn)來說沒有影響，但若想大規(guī)模量產(chǎn)，需要芯片代工廠商擁有像實驗室一樣的環(huán)境、技術(shù)條件，顯然是不太現(xiàn)實的，這也是碳基芯片實際量產(chǎn)難度高于硅基芯片的原因。

另外，針對網(wǎng)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(chǎn)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

不可否認的是，與硅基芯片相比，碳基芯片的優(yōu)勢的確很大。但在當(dāng)前的探索階段，全球各國都尚未在石墨烯芯片領(lǐng)域有真正的突破。如果隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，碳基芯片在未來能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，國內(nèi)積累的相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢才能真正實現(xiàn)彎道超車，使我國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)更加完善，并開啟一個全新的芯片時代。

編輯：黃飛