第三代半導體碳基芯片 (I) 摩爾定律終結

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1965年4月19日一期的美國《電子學》雜誌 (Electronics Magazine) 在第114頁上發表了戈登·摩爾 (Gordon Moore) (時任仙童半導體公司 [Fairchild Semiconductor] 研究開發實驗室主任)(圖 Google Images) 應邀為雜誌35周年專刊撰寫的文章《讓集成電路填滿更多的組件》(Cramming more components onto integrated circuits),文中預言半導體芯片上集成的晶體管和電阻數量將每年增加一倍, 此為著名的摩爾定律 (Moore's law) 雛型 (圖 Google Images)。

1975年,摩爾在IEEE國際電子組件大會 (International Electron Devices Meeting,IEDM) 上提交了一篇論文,對摩爾定律進行了修正,把集成電路上可容納的晶體管數目“每年增加一倍”改為“約每兩年增加一倍”。 而當今被引用的“18個月”,則是由英特爾微機元件事業部總經理 (1978-1996) 大衛·豪斯 (David House) (圖 Google Images) 提出的:預計18個月會將芯片的性能提高一倍 (即更多的晶體管使其更快),是一種以倍數增長的觀測。

集成電路上可容納的晶體管數目約每隔兩年會增加一倍。隻要芯片上晶體管的數目按照預言增加,芯片行業就能穩吃紅利。現在的芯片都是以矽為基礎材料,大規模的晶體管集成在矽晶圓上,通過不斷的提升和進化生產工藝,集成更多晶體管,提升工作主頻,降低功耗,達到提升芯片性能的目的。

現在的矽基芯片 (集成電路) 工藝製程發展至5nm (納米),乃至3nm、2nm、 1nm,已經已達到了原子等級,接近物理極限,逼近 (集成電路) 工藝製程瓶頸 (圖 Google Images)。有鑒於此,學界和業界研究者使出渾身解數,通過改進晶體管架構、改良製造設備等來為摩爾定律“續命,” 盡量延緩摩爾定律的終結。有物理學家指出,當芯片內部晶體管的柵極 (Gate) 閘極長度足夠短時,會發生量子穿隧效應 (Quantum tunnelling effect) (圖 Google Images),使漏電流增加。而高溫和漏電是導致矽材料壽命、也是摩爾定律終結的原因。關於摩爾定律的終點究竟還有多遠,看法並不一致。有預測認為摩爾定律的極限將在2025年左右到來,但也有更樂觀的預測認為還能持續更久。

但是,該來的終究會來。由此,研發一種全新材質的芯片成為了一個世界科技行業共同的目標。而碳基半導體因其比矽基更優異的性能特點進入視界 (圖 Google Images)。通過對碳納米管材料的研究,人們發現它具有相比矽基材料更為優異的半導體特性,特別是在高遷移率、納米尺寸、柔性、通透性、生物可兼容性方麵。碳基半導體除了成本比現有的矽基半導體更低外,它的功耗也更低,但效率卻比矽基半導體更高,是一種更好的半導體材料,很可能是下一代晶體管集成電路的最理想材料。有鑒於此,世界上包括美、中兩國,台灣、日本、韓國、法國等從事半導體材料研發的廠家,均在爭分奪秒的搶占碳基半導體工藝製造的先機。在這場競爭中尤其吸人眼球的是,暫時領先的中、美兩國間在碳基半導體研發中的競爭 (本文後麵部分將討論) (圖 Google Images)。

因為對於美國來說,如果能率先研發成功碳基半導體芯片,美國將繼續主導世界半導體材料製造。而對現在矽基半導體工藝製程落後的中國來說,研發成功碳基半導體芯片將會讓其道超車(注意不是彎道)、鯉魚翻身。因為碳基半導體芯片用到的是碳納米管或石墨烯,碳納米管和石墨烯的製備過程跟矽基晶體管的製備方法有著本質的差別,兩者的主要原料是石墨,目前生產工藝可以通過電弧放電法、激光燒蝕法等多種方式製成。所以碳基芯片電路的加工可以繞過光刻機這一製約大陸矽基半導體工藝製程的技術壁壘。當然,正如本文將討論的那樣,美國的研發團隊也利用現有的矽基半導體工藝製程設備,包括光刻機,來製備碳基半導體。

未完待續

參考資料

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董溫淑. (2020). 中國碳基半導體研究團隊再登頂刊!為3nm製程提供另一種選擇. 搜狐. 鏈接 https://www.sohu.com/a/415044632_115978

麥洛. (2020). 專訪北大碳基芯片團隊:我們換道走了20年,覺得能走下去. 北京大學新聞網.鏈接 https://news.pku.edu.cn/mtbdnew/ee024da5367d47a9a2ffebb8a3d3df12.htm

蕭凱承. (2020). 碳基芯片或許是中國芯片“換道超車”之路. 知乎. 鏈接 https://zhuanlan.zhihu.com/p/145522573

吳昕,力琴. (2020). 北大與MIT硬核較量:後摩爾時代,「碳基半導體」成為中美競逐新焦點.  澎湃. 鏈接 https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_7722174

Atherton, K. (2020). Should US Pay Semiconductor Makers To Compete Vs. China? BREAKING DEFENSE. 鏈接 https://breakingdefense.com/2020/07/should-us-pay-semiconductor-makers-to-compete-vs-china/

Bourzac, K. (2020). Carbon nanotube computers face a make-or-break moment. c&en,97(8). 鏈接 https://cen.acs.org/materials/electronic-materials/Carbon-nanotube-computers-face-makebreak/97/i8

Ham, B. (2020). Carbon nanotube transistors make the leap from lab to factory floor. MIT News. 鏈接 https://news.mit.edu/2020/carbon-nanotube-transistors-factory-0601

MIT Technology Review/科技評論. (2020). 北大 vs 麻省理工學院!全球兩大頂級碳基芯片團隊已低調開啟另一場“芯片競速賽” | 專訪. 鏈接 http://www.mittrchina.com/news/5253

Nield, D. (2020). In a Huge Milestone, Engineers Build a Working Computer Chip Out of Carbon Nanotubes. Science Alert. 鏈接 https://www.sciencealert.com/carbon-nanotubes-chip-is-a-nanotechn-landmark-that-could-take-us-beyond-silicon

Savage, N. (2020). Dipping technique makes high-performance carbon nanotube circuits. c&en. 鏈接 https://cen.acs.org/materials/electronic-materials/Dipping-technique-makes-high-performance/98/web/2020/05

Waldrop,M. (2016). The chips are down for Moore’s law. Nature. 鏈接 https://www.nature.com/news/the-chips-are-down-for-moore-s-law-1.19338

國華P 發表評論於
回複 '沒頭沒腦' 的評論 : 謝謝。你的例子頗有說服力。但大陸在動車上卻成功了。華為和字節跳動在很大程度上,也不失為很成功的案例。這是否與所有權有關?
沒頭沒腦 發表評論於
中國政府扶持的汽車工業政策比南韓政府的政策要早的多。1982年當德國車廠在中國投資設廠的時候,南韓也沒有完整的汽車工業。但是現在的南韓汽車質量完全碾壓中國產的汽車,而且比大部分的合資企業的產品都要好。
國華P 發表評論於
回複 '銥' 的評論 : 謝謝分享你的觀點。
發表評論於
中國的半導體的起步時間和西方差距並不大,但是由於各種原因現在已經遠遠落後。這方麵的例子還有航空發動機。如果現行體製不做改進,碳基的命運也會一樣。
國華P 發表評論於
回複 '欲千北' 的評論 : 謝謝你的分享。確實,一項事業要成功,良好的道德/行為規範和商業遠見是必要的。
國華P 發表評論於
回複 '誠信' 的評論 : 見仁見智。謝謝提供另一幅視野。
國華P 發表評論於
回複 '湯姆爺爺' 的評論 : 謝謝分享你的觀點。
國華P 發表評論於
回複 'lao-fei' 的評論 : 謝謝鼓勵。
欲千北 發表評論於
頂! 期待下文。
中國的弱點是在花費巨資的科技創新的產業化/商業化進程中,缺少私營企業的參與。隻要私營企業總想省錢,取巧,走捷徑,摘桃子,即使中國在技術競爭中領先,也會大概率在商業競爭中失敗。
另一條路是中國的科研人員自己創辦私人企業,走矽穀之路。這需要公司的核心團隊成員有良好的道德/行為規範和商業遠見。
誠信 發表評論於

“將會讓其新道超車” ?

大比例更可能的是 “新道翻車” ! 不必為比 “大煉鋼鐵” 更愚蠢的 “大造芯片” 運動造勢了。

湯姆爺爺 發表評論於
看看看,這麽好的,貨真價實的人才,又從那流失了,可惜至頓足啊。
lao-fei 發表評論於
好文,長知識,盼下文
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