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

开篇提醒:目前在半导体行业,碳基芯片的呼声可谓是日益高涨啊!因为从理论和实验结果上讲,这种新材料可以让我国在下一代芯片材料中占据主导地位。但是本期内容呢,我将从芯片的工艺出发,给碳基芯片降降温,说清楚碳基芯片在短时间内,为什么难以绕开荷兰EUV光刻机,解除华为乃至整个行业的芯片困境。

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。

本文源自头条号:国器

标签