矽基晶片已到天花板,新材料彎道超車,碳納米管未來是否有潛力?

2020-12-06 逗逗科趣

在晶片行業我們國家因為在相關方面的技術和人才積累較少,所以和世界先進水平有很大差距,但是晶片行業是一個需要技術底蘊的,短時間想要追上的可能性不大,當然另一方面摩爾定律也開始放緩,越來越接近天花板,探索新材料晶片已經成為了全人類共同任務。

相對於傳統的矽晶體晶片,碳基晶片更具有應用前景,而且國內在這方面一直在布局,我們從2000年就開始碳基晶片的研究,終於在今年碳基晶片亮相了,國內也傳來了好消息,北大張志勇-彭練矛課題組突破了半導體碳納米管關鍵材料的瓶頸,使其製備出的器件和電路在真實電子學表現上首次超過了矽基產品。

在排列方面,現在已經可以製備出密度在120/微米,直徑分布1.45±0.23nm的碳納米管陣列,理論上達到了超大規模碳納米管集成電路的需求,在未來可以用來生產手機晶片或者是通信晶片,理論上是兼容目前的集成電路體系,如果技術成熟,那麼成本也相對更低。

那麼能否藉助碳納米管實現彎道超車嗎?解決我們晶片的難題呢?碳納米管理論上的能效是傳統矽電晶體的5-10倍,90納米工藝就有望媲美28nm,而28nm相當於傳統的7nm工藝,所以碳納米管是一種非常理想的替代材料,而90nm的晶片有望在2到3年內推出,接著開始不斷地更新工藝,可以用來彌補我們在矽基晶片的不足。

但想要彎道超車並不是一件容易的事情,碳基晶片仍舊有一段路需要走,雖然碳基晶片相比矽基晶片更有優勢,但是矽基晶片已經到達了5nm工藝節點,而碳基晶片90nm可能還需要一段時間才能成功量產,所以目前來說碳基晶片仍舊沒有太大的競爭優勢,我們只能期待碳基晶片在接下來的時間裡可以穩步更新,爭取早日來到28nm節點,甚至是14nm節點,那麼這樣一來,碳基晶片的優勢才能顯現出來。

當然目前面臨的最大問題,還是純度要求,必須要達到99.99999999%的純度才行,好消息是相比於傳統的矽基晶片,碳基晶片我們在技術方面還保持2年的國際領先優勢,而且這是完全自主的,從材料製備到晶片製造,不會有技術壁壘和卡脖子的問題。

碳基晶片和矽基晶片讓我們想到了當年電晶體和電子管之爭,本身兩者處於相同水準,只是電晶體更容易做成微型電路,所以在摩爾定律的指導下,達到如今這種指甲蓋大小上百億的規模,那麼碳納米管也很有可能會在未來時間裡對矽基晶片實現反超。

不過碳基晶片更多是對矽基晶片的彌補而非直接競爭,當矽基晶片到達5nm節點之下很難繼續前進的時候,這個時候就可以藉助碳基晶片來彌補性能提升的不足,碳基晶片只需要14nm工藝就可以媲美矽基晶片的5nm工藝,這可以很好地為摩爾定律續命,畢竟同工藝下的碳基晶片要比矽晶片領先至少3代,而且碳基晶片可以做得更小,這可以在瓶頸到來的時候繼續升級性能。

所以從長遠來看,中國的晶片技術在未來還是很值得期待的,隨著摩爾定律的放緩,全球整個晶片行業的發展都會嚴重受阻,進步已經很難,除了臺積電和三星還在瘋狂的推進,其他晶圓廠都已經宣布放棄了10nm以下節點的研發,比如格羅方德還有臺聯電,而半導體老大的英特爾也在14nm上耽擱了許多年,只能無奈擠牙膏,其實這都說明摩爾定律的極限實際上已經來了。

而且在半導體工藝進入28nm之後,成本沒有降反而一直在增加,可以說並不符合摩爾定律,之所以還繼續推出,是因為像電腦和手機晶片還能容忍這種先進工藝所帶來的成本提升,但是隨著成本繼續的提升,總有一天就會超過我們的承受能力,解決辦法就是降低更新頻率延長更新時間。

所以我們一方面需要繼續對傳統矽基晶片的研發投入爭取逐步縮小差距,當遭遇到瓶頸不能再繼續推進的時候,這個時候就可以換裝碳基晶片,繼續來提升性能,如果我們能夠一直保持碳基晶片的領先優勢,那麼在矽基晶片徹底遭遇天花板之後,在晶片行業,我們也能迎來春天,不僅不再受制於人,反而還能成為領先者。

但從長遠來看,實際上整個晶片行業的潛力已經不大了,即使是碳基晶片的成功應用,也只是幫助摩爾定律暫時的續命,如果想要人類的計算機技術繼續得到大幅發展,計算性能繼續穩步提升,那麼新型的計算機體系架構才更為重要,而這方面最有潛力應該是未來的量子計算機,所以我們除了在傳統方面進行追趕,在新技術方面也必須加大投入。

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