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第2节 架设“碳基之梯”,突破“硅基围城”

对芯片行业有所了解的人都知道,这是一个建立在硅晶体上的行业。

自20世纪50年代以来,硅材料的成熟运用为集成电路领域带来了极大的发展。生产生活中的绝大部分芯片都以硅为基础材料制成。但随着算力需求的不断扩张,以及材料本身的固有限制,硅基芯片似乎快要走到“尽头”。

所以,找到一款能够替代硅的芯片材料,成为芯片领域最为重要的研究方向之一。对我国而言,新材料的出现将极大可能完成芯片领域的技术突破,实现强“芯”之梦。

量子隧穿的围城

如果把芯片看作一栋大厦,那么晶体管就是组成这座大厦的砖块。

砖块越多,大厦就可以盖得越大越高。同理,晶体管越多,芯片的运算速度就越快,性能也就越强。不同于电器中常见的晶体管部件,芯片上的晶体管主要由光刻机雕刻硅晶面板而成。为了使芯片体积能够被充分利用,晶体管往往采用多层、立体和交错的方式进行排列,肉眼看上去就像一个复杂的浮雕模型。

换句话说,只要晶体管做得足够小,芯片所能承载的晶体管数量就能足够多。因此,为了不断突破晶体管体积下限,厂商花费数百亿美元不断研发制程更小的芯片。2001年的芯片制程为130纳米,2021年这一数字缩小到2纳米,随之而来的是晶体管数量从当初的几万个,变成了如今的500亿个。

当然,这样的增长并不能永远持续下去。根据元素的基本特性,硅原子的直径为0.117纳米,在芯片体积一定的情况下,一个晶体管的极限尺寸不可能小于材料原子。正是由于这样的特性,芯片领域一直有一个共识,即1纳米芯片制程是技术的极限。

抛开技术水平不谈,制程不断缩小还会带来另一个严重问题——量子隧穿效应。

我们知道,一条电路之所以能够导电,是因为导体中的电子在外部电场的作用下呈现出规律化的移动。这个过程就像水管中的水流,总会按照水管的排布方向流动。但在纳米级别的微观物理世界中,粒子会在没有外界作用的情况下,肆意穿越到它本不可能到达的地方,完全不受系统控制。在微观物理学中,我们将这个现象称为量子隧穿效应。

千万不能小看量子隧穿效应的影响,在晶体管排列紧密的芯片中,各个电路间隙非常小,电子极易从一个电路“窜”到另一个电路中去。一旦发生这种情况,电路就会出现短路甚至烧毁,引发芯片的局部漏电。

量子隧穿效应的出现,会导致芯片性能大打折扣,还会导致硬件发热或重启。一个明显的例子是,2020年发布的一部分5纳米手机芯片出现了较为严重的发热问题,电池消耗也极为夸张,致使手机厂商饱受用户批评。美国半导体协会的报告显示,7纳米制程的芯片能够勉强控制量子隧穿效应,但5纳米及以下制程的芯片尚无解决办法。

种种问题的出现,几乎宣告了硅基芯片将在未来10年内面临不可突破的天花板,寻找新的载体已经成为行业共识。

开启碳基世代

德国经济学家李斯特曾在《政治经济学的国民体系》中提到一个常见的现象,即“踢梯子”。

它多用来形容先进国家在完成技术升级后,对后起国家实施技术封锁。这个词生动地诠释了当今大国之间的芯片竞争。中国显然就是那个正在寻找梯子的后进追赶者。全球都在寻找替代硅的芯片载体材料,而中国正走在这个领域的前沿。

2020年5月,北京大学的张志勇教授和彭练矛教授课题组在《科学》杂志发表了一篇名为《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》的论文。简单来说,采用论文中的方法,可以制备出纯度超过99.9999%、直径在0.23纳米左右的碳纳米管平行阵列。这一成果的问世,为碳基半导体进入规模工业化奠定了基础。

为什么这么说呢?

从化学的角度来看,碳与硅是同族元素,它们的化学和物理属性非常相似。因此,在芯片加工领域,目前碳元素是替代硅元素的最佳选择。而由碳制成的碳纳米管具有超高的导电性、热稳定性和本征迁移率,非常适合芯片内部的工作环境。

多年来,国外芯片巨头也一直在碳纳米管领域探索,但由于研发周期长、实现结果差和投资金额大等问题,几乎没有太大建树。其中,核心问题便是卡在碳纳米管的量产技术上。张志勇教授和彭练矛教授课题组研究的技术核心在于用全新的提纯和自组装方式,实现了高密度、高纯度碳纳米管的制备,并在此基础上实现了对同规格硅纳米管的性能超越。

采用这项技术可以生产出三类芯片产品,分别是信息处理芯片、传感器芯片和通信芯片。以传感器芯片为例,在碳纳米管的加持之下,芯片体积可以缩小40%。这就非常适合智慧医疗场景对植入式传感器的需求,即减少对患者皮肤和肌肉的破坏。

在张志勇教授和彭练矛教授课题组的研究成果发表后,许多企业对他们团队抛出了橄榄枝。华为便是其中之一,他们希望将碳纳米管技术用于打造5G基站芯片,从而解决基站能耗居高不下的问题。

综合来看,中国在硅基芯片时代的落后态势,是很有可能在碳基芯片上得以改善的。这就好比中国自己架设了一架“碳基之梯”,绕开欧美国家的限制,径直攀登技术高峰。

但在兴奋之余,我们也要清晰地认识到,芯片制造是一个复杂的系统工程。其制造过程有上千个步骤,每一个环节都会影响到芯片的最终质量。虽然我们在碳基芯片的材料领域实现了重大突破,但在设计和加工方面仍需要做好长期攻坚准备,避免因其他环节的短板而造成整体的缺憾。

绕开光刻机封锁

提起芯片,光刻机注定是一个绕不开的坎。

这台售价1.2亿美元的芯片加工设备,卡住了中芯,卡住了华为,也差点卡住了中国芯片产业的发展。目前,中国已经可以勉强实现7纳米制程芯片的量产,但距离国际顶尖水平的3纳米还有很长一段距离。

不过,随着碳基芯片概念的提出,部分媒体将其看作绕开光刻机难题的重要手段,甚至有观点认为,倘若碳基芯片真正实现,中国便不再需要光刻机了。

显然,这是一种毫无根据且不负责任的说法。从产业配套来看,硅基芯片已经走过了近40年历史,芯片的每一个生产环节都是围绕硅元素的特性进行定制化设计的。小到工人的防护手套,大到光刻机的部件设计,都与硅元素有着紧密的联系。毫不夸张地说,硅元素影响着整个芯片产业的发展。

从技术层面看,碳基芯片仍属于半导体产品,它仍旧需要光刻机来完成电路的排布与固定。如果没有光刻机,是无法完成高精度电路设计的。基于这两点,企图绕过光刻机来实现我国芯片产业的弯道超车是非常不现实的。

那我们还有机会吗?答案是肯定的。

从严格意义上说,碳基芯片虽然需要光刻机完成制造,但它对光刻机的精度要求并没有硅基芯片那么高。根据张志勇教授和彭练矛教授课题组的论文结论,一块90纳米制程的碳基芯片,性能上相当于28纳米制程的硅基芯片。

这个结论隐藏着两个关键点:一方面,两种芯片在性能上的差异远远小于它们在制程上的技术差异;另一方面,利用材料的优势,可以在技术能力不足的情况下实现芯片性能的超越。

我国芯片领域之所以落后于欧美国家,关键在于核心技术落后和自我研发能力不足,从材料、设计到生产制备都缺乏行业主导能力。随着碳基芯片技术的逐步成熟,我们可以从材料领域入手,逐步突破现有的半导体技术框架,研制出我国自主可控的芯片技术,进而影响全球芯片行业的格局。