石墨烯芯片可繞過光刻機是不是“謊言”？

2023-02-06 來源：互聯網亂侃秀

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2000年10月10日，瑞典皇家科學院宣布將本年度諾貝爾物理獎授予三位科學家，分別是俄羅斯圣彼得堡約飛物理技術學院的若爾斯-阿爾費羅夫、美國加利福尼亞大學的赫伯特-克勒默和德州儀器公司的杰克-S-基爾比，以表彰他們為現代信息技術的所作出的基礎性貢獻，特別是他們發明的快速晶體管、激光二極管和集成電路(芯片)。

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

在摩爾定律應用的近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備，信息技術也由軍事實驗室進入無數個普通家庭之中。不過，芯片性能的提升，目前還主要依賴于制造工藝的升級，而由于愈發逼近物理極限，工藝研發難度不斷加大，“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新大會上，國內多家公司及機構成立了石墨烯銅創新聯合體，成員包括正泰集團、上海電纜所與上海市石墨烯產業技術功能型平臺，其將面向全球“發榜”，協同開展關鍵技術攻關，聚力解決一批“卡脖子”問題。該創新聯合體表示，希望能夠研發出基于石墨烯的芯片來取代傳統硅基芯片，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生了經濟學效益。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，先后發布的聯發科天璣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。從本質上來說，臺積電4nm工藝其實是基于2020年的5nm工藝節點的改名而已，這一幕其實在臺積電的6nm工藝時就發生過，6nm本質上也是7nm工藝節點的改進。

這種“換湯不換藥”式的改名，意味著晶體管微縮技術發展的放緩。

如今，還在繼續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、制造費用也給公司帶來了巨大的成本壓力與投資風險，這也進一步迫使企業尋求性價比更高的技術路線來滿足產業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，現在的硅基半導體技術很快會碰到極限，1nm及以下工藝就很難制造了，在多個新的技術方向中，石墨烯芯片是其中一個選項，國內也有多家公司組建聯盟攻關這一技術。

石墨烯芯片能否彎道超車？

據介紹，石墨烯是一類由單層以碳原子六方晶格排列構成的特殊材料，強度大約是鋼的200倍，厚度是頭發的20萬分之一，導電性和導熱性均高于銅，每平方米的重量不到1毫克。同時，它還具有高電導率和導熱系數，因此在散熱、電池及芯片等各個領域都有極大的發展潛力，能使數據傳輸更快，也符合現在高性能、低功耗芯片的發展趨勢。

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國際芯片導線技術會議上，正式將石墨烯定位為下一代新型半導體材料，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，數十年來業界一直在研究大規模量產的方法，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，就有望打破現今的硅基芯片壟斷局面。在中國，各企業和科研院所近年來也一直在石墨烯領域集結發力，我國自主研發完成的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晶體管專利，也標志著中國在芯片研究領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申請量約占全球的80%，相關產品市場規模已達到160億元。

前不久，工信部批復組建國家石墨烯創新中心等三家國家制造業創新中心。創新中心將面向石墨烯產業發展的薄弱環節，圍繞石墨烯材料規模化制備、石墨烯材料產業化應用和石墨烯行業質量提升等研發方向，開展關鍵共性技術攻關，支撐打造貫穿石墨烯領域創新鏈、產業鏈、資金鏈、人才鏈和價值鏈的創新體系，助推國內石墨烯產業進一步創新發展。

可繞過光刻機？石墨烯芯片沒那么“神”

由于碳元素比較穩定，具有易于成型和機械加工的特性，業界一直有傳言稱碳基芯片的制造完全可以繞開復雜的EUV光刻設備，石墨烯晶圓也將實現碳基芯片的量產。

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石墨烯碳基芯片項目”的問題作出回應。當時，中芯國際就表示公司的業務未涉及石墨烯晶圓領域，這也打消了早先網上流傳的有關于“中芯國際可以依靠石墨烯芯片，在半導體領域中彎道超車”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8英寸石墨烯晶圓”的言論，望大家不要被誤導。

事實上，在美國對半導體行業實行技術限制的大背景下，中芯國際很難做到既兼顧解決國內芯片自給問題，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、技術等問題，硅基產品在很長時間內，依舊會處于業界主導地位，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的成品出現。

與硅基芯片的發展軌跡類似，想要生產、研發碳基芯片，就必須有一套與之相匹配的完整產業鏈與大量的研發人員，這便產生了額外的成本。當前半導體領域有關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有的硅基芯片，這是因為碳基芯片可容納晶體管數量要高于硅芯片，碳晶圓的晶體管架空性也優于硅晶圓。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熱性與電子活潑性，導致碳晶體管的內部結構十分不穩定，提高了芯片廠商對芯片自主可控電阻、電流的難度。這對于小規模生產來說沒有影響，但若想大規模量產，需要芯片代工廠商擁有像實驗室一樣的環境、技術條件，顯然是不太現實的，這也是碳基芯片實際量產難度高于硅基芯片的原因。