功耗降低50倍 不用进口光刻机 国产芯片要靠“碳”超车?

PigSay 2022-02-16 阅读:147

早在互联网混沌初开之时便已经诞生的摩尔定律,近年来逐渐开始失效。自芯片制程工艺进入7nm时代以来,制程红利日渐消失,技术发展的成本被不断堆高。这使得包括英特尔在内的部分厂商在制程工艺上的发展日渐受阻。

摩尔定律的逐渐失效是因为在现有的芯片制造技术下晶体管都处在一个平面上,其数量不可能无限增长下去。理论上,芯片的极限制程大约为2nm,现在的芯片制造工艺已经在逼近这个极限。虽然IBM等厂商在尝试3D芯片封装工艺以延续摩尔定律,但在3D堆叠上仍然还存在一些技术问题。

另一方面,目前我国的芯片制造行业在技术上落后于世界,较世界先进水平仍有距离。特别是先进制程工艺芯片的制造在国内仍属空白,这使得我国一些高精尖领域对芯片的需求完全依赖进口。根据统计,2020年我国在服务器和计算机中的CPU国产市占率仅为不到0.5%,国产芯片在高性能计算市场中几乎没有存在感。

如今,以中芯国际为代表的中国芯片代工厂商虽然正在迎头赶上,但要跨越发达国家在芯片领域用几十年时间累积的技术护城河,需要新的机遇。基于纳米碳材料晶体管的碳基芯片技术,也许就是未来国产芯片实现赶超的机会。

在芯片行业整体呼唤变革的当下,或许对我国来说这条路上存在新的可能。

替代硅基的次世代技术——碳基芯片

目前,由于硅基芯片的发展已经逼近极限,各大芯片厂商纷纷寻找芯片行业在未来新的发展方向,碳基芯片就是这其中一颗闪亮的新星。

碳基芯片即基于纳米碳材料晶体管制造的芯片,碳基芯片已经被国内外众多学者和知名芯片制造企业认为是最可能代替硅基芯片的次时代技术。

由于石墨烯和纳米碳管特殊的几何结构,电子在这些材料中的传输速度大大超出了目前的硅基材料。同时,纳米碳结构中没有金属中那种可以导致原子运动的低能缺陷或位错,使得其能够承受的电流强度远远高出目前集成电路中铜互连能承受的电流上限。

这些性质使得纳米碳成为了最理想的纳米尺度的导电材料。

用纳米碳作为材料制造的晶体管,在实验室环境下,其功耗表现优于硅晶体管5倍;碳基集成电路的功耗综合表现优于当前技术50倍。

此外,纳米碳材料加工温度低,工作功耗低的特点,使得其易于三维异构集成,能够克服三维集成电路面临的技术问题。理论上,采用纳米碳材料的三维集成电路与硅基三维集成电路相比功耗具有1000倍的综合优势。

对于我国在芯片领域技术落后的现状,碳基芯片的制造还具有成本低,门槛低的优点。

碳基芯片的材料决定了采用在芯片制造领域中相对简单的平面器件工艺,就可以实现5nm制程。另外,碳基芯片的制造仍然可以沿用目前的硅基芯片制造设备,且在设备比目前先进制程工艺设备落后三代的情况下,仍然可以使得芯片性能与目前先进硅基芯片相当,这使得我国芯片制造行业在新赛道上突破“卡脖子”成为可能。

要想实现碳基芯片的量产,高质量的碳晶体管制备技术至关重要。根据IBM沃森研究中心对碳纳米管集成电路的规划,理想的碳纳米管材料应为定向排列的碳纳米管阵列,最佳间距为5-10nm,即碳管排列密度为100~200根/μm。此外,纳米碳管半导体纯度必须大于99.9999%,该纯度也被成为“六个九水平”。

目前,国内外对制备高半导体纯度碳纳米管已经有了一定的研究。2013年IBM的Cao等人制出了半导体纯度达到99%的碳纳米管,但该方法制备出的碳纳米管密度将会达到500根/μm,碳纳米管的纯度和密度都不满足生产所需。

2016年,北京大学的彭练矛研究组发现了一种“蒸发诱导自组装”的方法可以在微米尺度上排列碳纳米管。随后,该课题组在2020年通过“维度限制自组装”和“DNA限制自组装”的方法制备得到了半导体浓度符合“六个九水平”,密度保持在100~200根/μm的碳纳米管,这标志着我国碳纳米管的制备工艺已经达到了碳基芯片所需的技术奇点。

而对于碳基集成电路的探索,全世界目前都尚处在起步阶段。自2013年斯坦福大学开发出首台完全使用碳纳米管打造并能够成功运行简单程序的电脑以来,对该领域的探索就从未止步。2020年,我国彭练矛-张志勇团队最新成果中碳基集成电路速度达到了8.06GHz,处于世界一流水平。

总的来看,硅基芯片的发展总有尽头,而碳基芯片目前看来最可能是硅基芯片在未来的接棒人。目前,我国在碳基芯片上的理论和实践积累都处于世界前列,碳基芯片或许将会成为我国芯片行业突破技术护城河,走向世界的关键。

打破先进光刻机封锁,国产“芯”弯道超车的机会

对于这条芯片领域的新赛道,我国各界都相当关注。

从技术角度来讲,我国目前在芯片领域最受擎肘的并不是设计环节,而是其制造环节。台积电和三星拥有着目前最先进的5nm芯片制程工艺,而他们技术的共同点,就是使用了来自荷兰ASML公司的EUV光刻机。

一般来讲,主流光刻机技术分为DUV和EUV技术,前者意为“深紫外线”,而后者则为“极深紫外线”。DUV光刻机可以做到25nm制程,Intel凭借双工作台模式使其能够达到10nm制程工艺。但10nm以下的制程工艺,目前只有EUV光刻机才能做到。由于西方国家封锁,我国芯片制造企业目前无法购买到EUV光刻机进行先进制程工艺芯片的制备。

但DUV光刻机完全可以满足制备5nm碳基芯片所需的工艺要求。这预示着未来也许我们可以在不依赖进口光刻机的前提下发展先进制程芯片制造技术。这实际上给予了我国芯片行业弯道超车的机会。

在2021年IMEC(欧洲微电子研究中心)的公开会议上,与会者提出了四种延续摩尔定律、打破2纳米硅基芯片物理极限的方法。在这四种方法中,碳基芯片的发展方案得到了专家组的一致认可。专家们一致认为,碳基芯片将是硅基芯片后,新一代主流芯片技术。

我国碳基芯片领军人物彭练矛院士在接受人民网采访时也曾表露,他认为碳基芯片是智慧城市运行发展的最佳选择。彭院士还预言:“十五年之后碳基芯片有望成为芯片行业主流技术。”

目前,碳基芯片还处在实验室研究的初级阶段,量产之路仍然“路漫漫其修远兮”。根据初步估算,要想真正完成碳基芯片从实验室到办公室的飞跃,至少需要确保十年以上的持续资金投入,碳基材料研究投入需要几十亿元。但由于投资回报前景不明朗,市场投资者兴趣缺缺。在这种情况下,政府的投入和支持显得尤为重要。

根据新华网消息,碳基材料将被纳入“十四五”原材料工业相关发展规划中。

另外根据彭博社报道, 2021年我国有一项发展碳基芯片以帮助中国芯片制造商克服美国制裁的计划。这足见国家政策上对碳基芯片的支持和对其未来的期望。

在可以想见的未来里,或许国产芯片真的能擎起这杆叫做碳基芯片的桨,在新时代里驶向大海彼岸的远方。