面对美国的芯片攻势,中国押注碳基芯片,能绕开EUV光刻机吗

2020年9月8日09:42:17 评论 89

目前,美国对中国的芯片产业可以说进行了全方位的打压,我们必须要承认一个事实,那就是中国在高端芯片领域还十分薄弱,在面对美国的芯片攻势时,中国还是处于非常明显的劣势。

有没有办法实现对美国半导体产业与技术的全面超越呢?那就只有终结美国开创的硅时代,这样才能实现芯片的全面领先。

面对美国的芯片攻势,中国押注碳基芯片,能绕开EUV光刻机吗

1958年,杰克·基尔比将包括锗晶体管在内的五个元器件集成在一起,基于锗材料制作了一个叫做相移振荡器的简易集成电路,这标志着人类史上第一块集成电路诞生,相比于晶体管,集成电路具有微小型化、高集成化、低功耗、智能化和高可靠性等优点,,为开发电子产品的各种功能铺平了道路,并且大幅度降低了成本,使微处理器的出现成为了可能,开创了电子技术历史的新纪元,让我们现在习以为常一切电子产品的出现成为可能。

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不过因为锗材料做的器件耐热性差,工作不稳定。锗是稀有材料,大批量生产困难。罗伯特·诺伊斯在杰克·基尔比的基础上,把眼光直接盯住硅-地球上含量最丰富之一的元素,商业化价值更大,成本更低。

自此大量的半导体器件被制造并商用,作为仙童半导体公司,英特尔创始人的诺伊斯,在硅谷掀起了一场新的电子革命,这场革命很快便扩散全球,半导体初创公司涌现,更多功能更强、结构更复杂的集成电路被发明,半导体产业由“发明时代”进入了“商用时代”。而硅也走上了历史舞台,诺伊斯也因此被称为“硅谷之父”。

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然而随着芯片制程逐渐逼近极限,硅的缺陷也开始慢慢暴露,在越来越多的需要提高速度、减少延迟和光检测的应用中,硅正在达到其性能的极限,,各大半导体厂商对于3纳米以下的芯片走向都没有明确的答案。

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事实上,芯片业界已经接受了晶体管尺寸接近下限的现实,并已经为摩尔定律的终结做了准备。今年早些时候,美国半导体工业协会(Semiconductor Industry Association)——成员包括英特尔、AMD和GlobalFoundries——发表了一份报告。这份报告宣称,到2021年,硅晶体管尺寸的缩小将不再是一件经济可行的事情。取而代之的是,芯片将以另一种方式发生变化。

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那就是寻求一种“毫伏开关”——一种在计算速度上不亚于硅晶片,但发热量显著低于硅的材料。目前新的芯片革命正在酝酿,新材料将通过全新物理机制实现全新的逻辑、存储及互联概念和器件,推动半导体产业的革新,芯片设计厂商、芯片设备厂商、晶圆加工厂商原有的垄断格局将彻底打破,所有的技术积累都将全部清零,主导国家将会获得新一代技术控制权。

由于科学家并不能确定什么样的材料能够替代硅,所以提出了许多的方案,比如石墨烯、碳纳米管、碳化硅、氮化镓等。甚至有些科学家提出在保留硅材料的前提下,也就是从架构的角度将硅材料以全新的方式进行配置,比如走向3D:既然可以将电路蚀刻到硅平面的表面,为何不试试打造成“摩天大楼”,将表面已经蚀刻进电路的薄硅片堆积起来呈立体的形状?

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中国则提出了利用碳纳米管来取代硅的方案,科学界普遍认为碳纳米管自身的材料性能远优于硅材料,碳管晶体管的理论极限运行速度可比硅晶体管快5~10倍,而功耗却降低到其1/10,因此是极佳的晶体管制备材料,这也是为什么中国会研究碳纳米管的原因。

但碳纳米管由于内部充满杂质,将会失去原本具有运行速度快的优势,同时还增加晶体管的功耗,相较传统的硅材料彻底失去竞争力。在技术难题面前,众多美国企业选择了放弃。

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但中国北大彭练矛教授课题组发展全新的提纯和自组装方法,制备高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料,并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路,展现出碳管电子学的优势。该课题组采用多次聚合物分散和提纯技术得到超高纯度碳管溶液,并结合维度限制自排列法,在4英寸基底上制备出密度为120/μm、半导体纯度高达99.99995%、直径分布在1.45±0.23 nm的碳管阵列,从而达到超大规模碳管集成电路的需求。这也标志着中国碳基芯片已经具备批量化制备的可能性。在芯片革命中处于第一梯队。

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彭练矛教授认为:

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如果中国可以率先实现碳基芯片量产商用,那么中国将会在新一代材料革命中将占据主导优势,举一个例子,我们中国一直以来无法造出的EUV光刻机,如果中国碳基芯片能够取代美国硅芯片,那么晶圆的生产工艺就不一样了这就是另外一套玩法,我们就可以绕过EUV光刻机,研发其他的设备来制造生产光刻机,或者说,即使还需要光刻机,同性能的硅基芯片,对光刻机的精度要求没有这么高,甚至对光刻机的工艺要求也不一样,那ASML的市场垄断就会被打破,以中国的科技发展,完全可以实现国产化。

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可以确定的是,硅芯片的极限在1nm左右,而碳基芯片可以做到1nm以下,硅基时代终结是迟早的事情。就看中国能否抢夺到主导权来。而这还需要中国半导体企业的配合,只有他们将碳基芯片运用于实际之中,碳基芯片才可以得到长足发展,从而形成一个完善的生态链。

(来源https://www.toutiao.com/a6869777559526048268/)

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