第三代半导体碳基芯片 (I) 摩尔定律终结

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1965年4月19日一期的美国《电子学》杂志 (Electronics Magazine) 在第114页上发表了戈登·摩尔 (Gordon Moore) (时任仙童半导体公司 [Fairchild Semiconductor] 研究开发实验室主任)(图 Google Images) 应邀为杂志35周年专刊撰写的文章《让集成电路填满更多的组件》(Cramming more components onto integrated circuits),文中预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍, 此为著名的摩尔定律 (Moore's law) 雏型 (图 Google Images)。

1975年,摩尔在IEEE国际电子组件大会 (International Electron Devices Meeting,IEDM) 上提交了一篇论文,对摩尔定律进行了修正,把集成电路上可容纳的晶体管数目“每年增加一倍”改为“约每两年增加一倍”。 而当今被引用的“18个月”,则是由英特尔微机元件事业部总经理 (1978-1996) 大卫·豪斯 (David House) (图 Google Images) 提出的:预计18个月会将芯片的性能提高一倍 (即更多的晶体管使其更快),是一种以倍数增长的观测。

集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔两年会增加一倍。只要芯片上晶体管的数目按照预言增加,芯片行业就能稳吃红利。现在的芯片都是以硅为基础材料,大规模的晶体管集成在硅晶圆上,通过不断的提升和进化生产工艺,集成更多晶体管,提升工作主频,降低功耗,达到提升芯片性能的目的。

现在的硅基芯片 (集成电路) 工艺制程发展至5nm (纳米),乃至3nm、2nm、 1nm,已经已达到了原子等级,接近物理极限,逼近 (集成电路) 工艺制程瓶颈 (图 Google Images)。有鉴于此,学界和业界研究者使出浑身解数,通过改进晶体管架构、改良制造设备等来为摩尔定律“续命,” 尽量延缓摩尔定律的终结。有物理学家指出,当芯片内部晶体管的栅极 (Gate) 闸极长度足够短时,会发生量子穿隧效应 (Quantum tunnelling effect) (图 Google Images),使漏电流增加。而高温和漏电是导致硅材料寿命、也是摩尔定律终结的原因。关于摩尔定律的终点究竟还有多远,看法并不一致。有预测认为摩尔定律的极限将在2025年左右到来,但也有更乐观的预测认为还能持续更久。

但是,该来的终究会来。由此,研发一种全新材质的芯片成为了一个世界科技行业共同的目标。而碳基半导体因其比硅基更优异的性能特点进入视界 (图 Google Images)。通过对碳纳米管材料的研究,人们发现它具有相比硅基材料更为优异的半导体特性,特别是在高迁移率、纳米尺寸、柔性、通透性、生物可兼容性方面。碳基半导体除了成本比现有的硅基半导体更低外,它的功耗也更低,但效率却比硅基半导体更高,是一种更好的半导体材料,很可能是下一代晶体管集成电路的最理想材料。有鉴于此,世界上包括美、中两国,台湾、日本、韩国、法国等从事半导体材料研发的厂家,均在争分夺秒的抢占碳基半导体工艺制造的先机。在这场竞争中尤其吸人眼球的是,暂时领先的中、美两国间在碳基半导体研发中的竞争 (本文后面部分将讨论) (图 Google Images)。

因为对于美国来说,如果能率先研发成功碳基半导体芯片,美国将继续主导世界半导体材料制造。而对现在硅基半导体工艺制程落后的中国来说,研发成功碳基半导体芯片将会让其道超车(注意不是弯道)、鲤鱼翻身。因为碳基半导体芯片用到的是碳纳米管或石墨烯,碳纳米管和石墨烯的制备过程跟硅基晶体管的制备方法有着本质的差别,两者的主要原料是石墨,目前生产工艺可以通过电弧放电法、激光烧蚀法等多种方式制成。所以碳基芯片电路的加工可以绕过光刻机这一制约大陆硅基半导体工艺制程的技术壁垒。当然,正如本文将讨论的那样,美国的研发团队也利用现有的硅基半导体工艺制程设备,包括光刻机,来制备碳基半导体。

未完待续

参考资料

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董温淑. (2020). 中国碳基半导体研究团队再登顶刊!为3nm制程提供另一种选择. 搜狐. 链接 https://www.sohu.com/a/415044632_115978

麦洛. (2020). 专访北大碳基芯片团队:我们换道走了20年,觉得能走下去. 北京大学新闻网.链接 https://news.pku.edu.cn/mtbdnew/ee024da5367d47a9a2ffebb8a3d3df12.htm

萧凯承. (2020). 碳基芯片或许是中国芯片“换道超车”之路. 知乎. 链接 https://zhuanlan.zhihu.com/p/145522573

吴昕,力琴. (2020). 北大与MIT硬核较量:后摩尔时代,「碳基半导体」成为中美竞逐新焦点.  澎湃. 链接 https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_7722174

Atherton, K. (2020). Should US Pay Semiconductor Makers To Compete Vs. China? BREAKING DEFENSE. 链接 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). 链接 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. 链接 https://news.mit.edu/2020/carbon-nanotube-transistors-factory-0601

MIT Technology Review/科技评论. (2020). 北大 vs 麻省理工学院!全球两大顶级碳基芯片团队已低调开启另一场“芯片竞速赛” | 专访. 链接 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. 链接 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. 链接 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. 链接 https://www.nature.com/news/the-chips-are-down-for-moore-s-law-1.19338

国华P 发表评论于
回复 '没头没脑' 的评论 : 谢谢。你的例子颇有说服力。但大陆在动车上却成功了。华为和字节跳动在很大程度上,也不失为很成功的案例。这是否与所有权有关?
没头没脑 发表评论于
中国政府扶持的汽车工业政策比南韩政府的政策要早的多。1982年当德国车厂在中国投资设厂的时候,南韩也没有完整的汽车工业。但是现在的南韩汽车质量完全碾压中国产的汽车,而且比大部分的合资企业的产品都要好。
国华P 发表评论于
回复 '铱' 的评论 : 谢谢分享你的观点。
发表评论于
中国的半导体的起步时间和西方差距并不大,但是由于各种原因现在已经远远落后。这方面的例子还有航空发动机。如果现行体制不做改进,碳基的命运也会一样。
国华P 发表评论于
回复 '欲千北' 的评论 : 谢谢你的分享。确实,一项事业要成功,良好的道德/行为规范和商业远见是必要的。
国华P 发表评论于
回复 '诚信' 的评论 : 见仁见智。谢谢提供另一幅视野。
国华P 发表评论于
回复 '汤姆爷爷' 的评论 : 谢谢分享你的观点。
国华P 发表评论于
回复 'lao-fei' 的评论 : 谢谢鼓励。
欲千北 发表评论于
顶! 期待下文。
中国的弱点是在花费巨资的科技创新的产业化/商业化进程中,缺少私营企业的参与。只要私营企业总想省钱,取巧,走捷径,摘桃子,即使中国在技术竞争中领先,也会大概率在商业竞争中失败。
另一条路是中国的科研人员自己创办私人企业,走硅谷之路。这需要公司的核心团队成员有良好的道德/行为规范和商业远见。
诚信 发表评论于

“将会让其新道超车” ?

大比例更可能的是 “新道翻车” ! 不必为比 “大炼钢铁” 更愚蠢的 “大造芯片” 运动造势了。

汤姆爷爷 发表评论于
看看看,这么好的,货真价实的人才,又从那流失了,可惜至顿足啊。
lao-fei 发表评论于
好文,长知识,盼下文
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