機會在另一個賽場,押注碳基晶片,中國能擺脫光刻機的限制嗎?

日前，中國科學院院士、北大信息科學技術學院彭練矛教授在參加會議時表示：

目前中國晶片技術整體產業鏈面臨被「卡脖子」的狀況，關鍵因素在於中國在晶片技術領域沒有核心技術和自主研發能力，沒有主導晶片從材料、設計到生產裝備的全套技術中的任何一個環節。沒有晶片技術，就沒有中國的現代化。實現由中國主導晶片技術的直道超車，就是碳基電子的定位和使命。碳基電子的終極使命就是在現有優勢下揚長避短，從材料開始，全面突破現有的主流半導體技術，研製出中國完全自主可控的晶片技術，在主流晶片領域產生重要影響。

今年 5 月，北京元芯碳基集成電路研究院宣布，由該院中國科學院院士、北京大學教授彭練矛和張志勇教授帶領的團隊，解決了長期困擾碳基半導體材料製備的純度、密度與面積等瓶頸問題。彭練矛院士宣稱，與國外矽基技術製造出來的晶片相比，我國碳基技術製造出來的晶片在處理大數據時不僅速度更快，而且至少節約 30% 的功耗。

半導體技術是一個國家發展高科技產業的核心

去過的幾十年，在基於矽基 CMOS 技術的傳統晶片領域，中國一直處於相對落後的境地。而美日韓等國家，牢牢掌握了材料、設計、裝備的方方面面，在摩爾定理的推動下高歌猛進，不斷刷新工藝極限。不過，近 10 年以來，傳統矽基晶片受工藝限制，發展速度日益緩慢，從 14nm 到 7nm，再到 5nm、3nm，越來越難，逼近矽晶片的極限。

對於 3nm 以下的晶片工藝，各大半導體廠商都沒有明確的答案。美國半導體工業協會（成員包括英特爾、AMD 和 Global Foundries）的一份報告稱：到 2021 年，矽電晶體尺寸的縮小，將不再是一件經濟可行的事情。取而代之的是，晶片將以另一種方式發生變化。科學家試圖尋找能夠替代矽的晶片材料，其中碳納米管電晶體（簡稱「碳管」）就是頗具研究價值的方向。

核心技術領跑國際

30 餘年以來，彭練矛始終堅守在科研攻關的一線：他在電子顯微學領域發展了可以精確處理一般材料體系反射和透射電子衍射、彈性和非彈性電子散射的理論框架；在碳基電子學領域，發展了整套碳基CMOS（互補金屬氧化物半導體）集成電路無摻雜製備新技術，首次製備出性能接近理論極限，柵長僅 5nm 的碳管電晶體，實現了綜合性能超越矽基器件十餘倍的「中國奇蹟」。

2000 年，彭練矛帶領研究團隊從零開始，探究用碳納米管材料製備集成電路的方法。功夫不負有心人。在經過多年的技術追趕之後，臥薪嘗膽的彭練矛終於迎來了他在納米電子學研究中的第一項標誌性成果 — 碳管制備技術的初步突破，同時，正式將碳管材料和碳基晶片作為團隊主要研究方向。

又經過十年的技術攻堅，彭練矛團隊放棄傳統摻雜工藝，終於突破了 N 型碳管制備這一跨世紀難題，創造性地研發了一整套高性能碳納米管電晶體的無摻雜製備方法，並在 2017 年首次製備出柵長 5nm 的電晶體。這一世界上迄今最小的高性能電晶體，綜合性能比目前最好的矽基電晶體領先十倍，接近了理論極限。2018 年，團隊再次突破了傳統的理論極限，發展出新原理的超低功耗的狄拉克源電晶體；同年，用高性能的電晶體製備出集成電路，最高速度達到了 5 × 103MHz，不僅躋身與史丹福大學、麻省理工學院等研究機構同步的國際領跑行列，而且在最關鍵的核心技術上是世界領先的。

打破傳統半導體企業優勢

碳基晶片的成功，或將終結美國開創的矽基晶片產業。新材料將通過全新物理機制，實現全新的邏輯。那麼到時候，晶片設計廠商、晶片設備廠商、晶圓加工廠商原有的壟斷格局將徹底打破，所有的技術積累都將全部清零，主導國家將會獲得新一代技術控制權。

比如，目前晶片設計都需要 EDA 軟體，可以說，目前全球半導體產業都是圍繞 EDA 工具設計的晶片展開工作。EDA 三巨頭 Synopsys、Cadence 和 Mentor Graphics 壟斷了 95% 的市場，國產化份額僅 5%，跟國外先進水平存在著巨大的差距。一旦進入碳基晶片時代，晶片設計方法也需應勢升級，根據阿里達摩院的預測，基於芯粒（chiplet）的模塊化設計方法可取代傳統方法，可以跳過流片，快速定製出一個符合應用需求的晶片，讓晶片設計變得像搭積木一樣快速，進一步加快了晶片的交付。

同理，一旦新方案終結了矽基晶片，那麼晶圓的生產工藝就完全一樣了，新的晶片製造流程將應運而生，相比矽基晶片，工藝更加簡單。或許我們可以研發出新的設備，繞過 EUV 光刻機，以全新的流程完成對晶片的配置。即便還需要光刻機，同性能的矽基晶片，對光刻機的精度要求遠沒有如今這麼高，甚至對光刻機的工藝要求也不一樣，ASML 的市場壟斷將被打破。