關(guān)于石墨烯芯片的真相：或能突破硅基芯片極限但卻離不開光刻機(jī)

隨著摩爾定律逐漸失效，現(xiàn)在智能設(shè)備使用的硅基半導(dǎo)體技術(shù)很快會(huì)碰到極限，在多個(gè)新的技術(shù)方向中，石墨烯芯片或許是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

2000年10月10日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將本年度諾貝爾物理獎(jiǎng)授予三位科學(xué)家，分別是俄羅斯圣彼得堡約飛物理技術(shù)學(xué)院的若爾斯-阿爾費(fèi)羅夫、美國加利福尼亞大學(xué)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?yōu)楝F(xiàn)代信息技術(shù)的所作出的基礎(chǔ)性貢獻(xiàn)，特別是他們發(fā)明的快速晶體管、激光二極管和集成電路(芯片)。

如果你認(rèn)為手機(jī)等智能設(shè)備改變了世界，那正是因?yàn)檫@些偉大的發(fā)明首先改變了這些設(shè)備。在閱讀這篇文章時(shí)，我們手上也正握著數(shù)項(xiàng)諾獎(jiǎng)級(jí)的成果。對(duì)于智能設(shè)備而言，經(jīng)過了十幾年的發(fā)展， 性能的提升依然是消費(fèi)者和廠商最為關(guān)注的要點(diǎn)，更具體來說，這很大程度上取決于設(shè)備中芯片性能的提升。

在摩爾定律應(yīng)用的近60年時(shí)間里，計(jì)算機(jī)從艾尼阿克這樣的龐然大物變成每個(gè)人都不可或缺的便攜式設(shè)備，信息技術(shù)也由軍事實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入無數(shù)個(gè)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(jí)，而由于愈發(fā)逼近物理極限，工藝研發(fā)難度不斷加大，“摩爾定律”將失效的聲音也越來越大。


硅基芯片即將到達(dá)性能極限

由于高純硅的獨(dú)特性，導(dǎo)致其集成度越高，晶體管的價(jià)格越便宜，這樣也就使得摩爾定律產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)學(xué)效益。在1990年左右，一個(gè)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(fā)絲上可以放上千晶體管時(shí)，每個(gè)晶體管的價(jià)格就下降至此前的千分之一。

就在本月，先后發(fā)布的聯(lián)發(fā)科天璣9200和高通驍龍8 Gen2兩款旗艦處理器，采用的都是臺(tái)積電4nm工藝，但卻并沒有使用3nm工藝。從本質(zhì)上來說，臺(tái)積電4nm工藝其實(shí)是基于2020年的5nm工藝節(jié)點(diǎn)的改名而已，這一幕其實(shí)在臺(tái)積電的6nm工藝時(shí)就發(fā)生過，6nm本質(zhì)上也是7nm工藝節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)。

這種“換湯不換藥”式的改名，意味著晶體管微縮技術(shù)發(fā)展的放緩。

如今，還在繼續(xù)堅(jiān)持攻克先進(jìn)制程的晶圓廠僅剩下臺(tái)積電、三星、英特爾等幾位高端玩家，先進(jìn)制程所必需的高昂芯片研發(fā)、制造費(fèi)用也給公司帶來了巨大的成本壓力與投資風(fēng)險(xiǎn)，這也進(jìn)一步迫使企業(yè)尋求性價(jià)比更高的技術(shù)路線來滿足產(chǎn)業(yè)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(xiàn)在的硅基半導(dǎo)體技術(shù)很快會(huì)碰到極限，1nm及以下工藝就很難制造了，在多個(gè)新的技術(shù)方向中，石墨烯芯片是其中一個(gè)選項(xiàng)，國內(nèi)也有多家公司組建聯(lián)盟攻關(guān)這一技術(shù)。


石墨烯芯片到底能不能繞過光刻機(jī)？

近日，在中國國際石墨烯創(chuàng)新大會(huì)，很多公司成立了石墨烯銅創(chuàng)新聯(lián)合體，希望研發(fā)出石墨烯芯片，來替代硅基芯片，從而解決卡脖子問題。

更重要的是，目前硅基芯片已經(jīng)快要按近工藝極限，達(dá)到了3nm，而極限可能在1nm，空間有限。而石墨烯芯片電子遷移率遠(yuǎn)高于硅基材料，性能是硅基芯片的10倍，同時(shí)功耗還低。

所以一時(shí)之間，網(wǎng)友們又沸騰了，表示目前我們?cè)诠杌酒南冗M(jìn)工藝上受阻，我們應(yīng)該努力研究石墨烯芯片，來替代硅基芯片，甚至可以繞開EUV光刻機(jī)。

石墨烯芯片，究竟是什么芯片？其實(shí)是采用石墨烯為材料的一種芯片，石墨烯中，碳原子是以六方晶格排列的，所以具備高電導(dǎo)率、高導(dǎo)熱性，能使數(shù)據(jù)傳輸更快，也能夠使功耗更低，還好的散熱。

也正因?yàn)槿绱?，所以研究表明，石墨烯芯片，可以?shí)現(xiàn)100GHz的頻率，而硅基芯片最高也只能達(dá)到10GHz的頻率。

因?yàn)榫邆溥@些特性，所以石墨烯被定位為下一代新型半導(dǎo)體材料。只不過石墨烯芯片不好造，到目前也沒有造出真正意義上的、能大規(guī)模量產(chǎn)的、能實(shí)用的石墨烯芯片，更多的還是停留在實(shí)驗(yàn)室。

另外芯片從設(shè)計(jì)到最后的實(shí)用，還需要一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，目前這也是石墨烯不具備的，所以石墨烯芯片，離實(shí)用，可能還差十萬八千里，短時(shí)間內(nèi)大家就別想了。

此外，在于制造工藝方面，目前并沒有證據(jù)表示，石墨烯就不需要光刻機(jī)了。之前在非大規(guī)模制造時(shí)，研究人員沒有使用光刻機(jī)，并不代表大規(guī)模制造時(shí)，不需要光刻機(jī)。

按照當(dāng)前芯片制造的模式來看，所有大規(guī)模量產(chǎn)的芯片，都是通過光刻的方式，將電路圖刻到硅片上面去的，而石墨烯本身只是材料的不同，其模式、流程其實(shí)還是一致的。

如果要繞開光刻機(jī)，可能要對(duì)整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)鏈重塑或者重構(gòu)，這可能遠(yuǎn)比繞開光刻機(jī)更難，所以別想著用另外一種芯片材料來繞開EUV光刻機(jī)，這可能比研發(fā)出EUV光刻機(jī)更不現(xiàn)實(shí)


尖端芯片技術(shù)競爭

有句話說得好：“19世紀(jì)是鐵時(shí)代，20世紀(jì)是硅時(shí)代，21世紀(jì)是碳時(shí)代?！?1世紀(jì)是碳的時(shí)代，也是芯片的時(shí)代。

美國IBM宣稱自己已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了2nm芯片技術(shù)，但是實(shí)際上并沒有大規(guī)模投入生產(chǎn)，這只是實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模的結(jié)果。

不過，也的確能代表美國在芯片市場上的壟斷地位。

中國作為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，在科技上也有了很大的進(jìn)步，掌握了許多尖端科技，但芯片技術(shù)還沒有超越美國。

美國此次對(duì)華斷供芯片，就是在展示自己的科技實(shí)力，用核心技術(shù)卡脖子，來保護(hù)本國企業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)這類科技公司如果沒有核心芯片的支持，許多產(chǎn)品都無法運(yùn)行，怪不得此次斷供引起軒然大波。

我們國家芯片技術(shù)的發(fā)展不如美國起步早，但是卻一直在默默追趕。

美國IBM發(fā)布2nm芯片技術(shù)后，中科院也發(fā)布石墨烯芯片技術(shù)，向全世界展示了石墨烯晶圓。

石墨烯晶體管具有高電子活度和快遷移率，用石墨烯晶片制成的石墨烯芯片在相同工藝條件下性能強(qiáng)、功耗低。這是國產(chǎn)芯片“變道超車”的良機(jī)。

很明顯，兩個(gè)國家都想抓住這次的機(jī)會(huì)，成為芯片技術(shù)的領(lǐng)軍者?？上壳斑@兩種技術(shù)都還不是很成熟。

美國IBM公司的芯片技術(shù)，很大程度上要依賴三星公司的3nm砷化鎵技術(shù)源，兩家公司的合作還需要進(jìn)一步磨合。

我們中國的石墨烯芯片雖然可以小規(guī)模生產(chǎn)，但美中不足，它的性能都還要進(jìn)一步完善。要知道，進(jìn)入市場的芯片要求確保技術(shù)的成熟和穩(wěn)定，如果經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤，造成客戶不滿意，對(duì)企業(yè)而言反而是不利的。

所以這兩種技術(shù)要商業(yè)化，還有一段路要走，不過這條路雖然坎坷，好在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了巨大的突破，未來想要投入實(shí)際大概也是遲早的事情。

只是根據(jù)實(shí)際情況考慮，現(xiàn)在全球市場芯片雖然的確是供不應(yīng)求，但缺少的并不是高端芯片，反而是中低端芯片。

21世紀(jì)初就有的14nm和28nm的芯片，它們占了90%的市場，雖然比較厚，功能也不如最新的7nm芯片強(qiáng)大，但是它的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，商業(yè)化程度很高，而且，它已經(jīng)足夠滿足市場上大部分的芯片功能需求。

再小一點(diǎn)的7nm和5nm芯片，主要供應(yīng)高端手機(jī)和臺(tái)式電腦，這兩種芯片又是剩下10%的芯片中的大塊頭。所以說，目前來說這種高端芯片的用途還不能大眾化，自然需求也就不大。