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面对美国的芯片攻势,中国押注碳基芯片,能绕开EUV光刻机吗

新长征 admin 1年前 (2020-10-08) 99次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

前两天,北大彭练矛教授在参加会议的时候说:
面对美国的芯片攻势,中国押注碳基芯片,能绕开EUV光刻机吗
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之所以彭练矛教授会认为,中国可以凭借碳基芯片实现直道超车,是因为他在碳基电子学领域,发展了整套碳基CMOS(互补金属氧化物半导体)集成电路无掺杂制备新技术,首次制备出性能接近理论极限,栅长仅5纳米的碳管晶体管,综合性能超越硅基器件十余倍。这也标志着中国碳基芯片已经具备批量化制备的可能性。
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那么碳基芯片出现之后,可以绕开EUV光刻机吗,实现芯片的自主可控吗?首先,我们要明白我们为什么发展碳基芯片,这绝不是弯道超车,而是直道超车,如果想要实现弯道超车,那么就要在硅基芯片领域中国能够构建起完整产业链,实现高端芯片自产自研,这需要集结全国半导体企业之力,打通半导体产业链所有环节,而目前中国在高端芯片领域还十分薄弱。
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而直道超车就是我知道在这个领域干不过你,我就开辟一个新领域来取代你,众所周知,美国在上个世纪50年代末发明了基于硅材料的集成电路,从而让信息革命成为可能,可以说,美国是硅时代的开创者也是主导者,但是目前硅芯片已经逼近极限,各大半导体厂商对于3纳米以下的芯片走向都没有明确的答案。
英国半导体应用公司首席执行官说:“在越来越多的需要提高速度、减少延迟和光检测的应用中,硅正在达到其性能的极限。”
美国半导体工业协会——成员包括英特尔、AMD和GlobalFoundries——发表了一份报告。这份报告宣称,到2021年,硅晶体管尺寸的缩小将不再是一件经济可行的事情。取而代之的是,芯片将以另一种方式发生变化
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所以各个国家都在研发新材料取代硅,也就是终结美国开创的硅时代。
新材料将通过全新物理机制实现全新的逻辑、存储及互联概念和器件,那么到时候,芯片设计厂商、芯片设备厂商、晶圆加工厂商原有的垄断格局将彻底打破,所有的技术积累都将全部清零,主导国家将会获得新一代技术控制权。
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比如,目前芯片设计都需要通过EDA工具,可以说,目前全球半导体产业都是围绕EDA工具设计的芯片所服务的,新思科技、 楷登电子、明导国际这三家美国企业垄断了全球EDA市场。
一旦硅时代终结,芯片设计方法也需应势升级,根据阿里达摩院的预测,基于芯粒(chiplet)的模块化设计方法可取代传统方法,可以跳过流片快速定制出一个符合应用需求的芯片,让芯片设计变得像搭积木一样快速。进一步加快了芯片的交付。
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同理,一旦新方案终结了硅基芯片,那么晶圆的生产工艺就不一样了,这就是另外一套玩法,我们就可以绕过EUV光刻机,研发其他的设备来制造生产光刻机,比如从架构的角度以全新的方式对芯片进行配置。
即使还需要光刻机,同性能的硅基芯片,对光刻机的精度要求没有这么高,甚至对光刻机的工艺要求也不一样,那ASML的市场垄断就会被打破。
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并没有哪个国家可以确定,什么材料可以取代硅时代,一些国家提出利用拓扑绝缘体、二维超导材料,也有国家提出用化合物半导体,比如氮化镓。
而中国之所以押注碳基电子,是因为科学界普遍认为碳纳米管自身的材料性能远优于硅材料,碳管晶体管的理论极限运行速度可比硅晶体管快5~10倍,而功耗却降低到其1/10,因此是极佳的晶体管制备材料,
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而其他国家不研究是因为,碳纳米管由于内部充满杂质,将会失去原本具有运行速度快的优势,同时还增加晶体管的功耗,相较传统的硅材料彻底失去竞争力。
练矛教授则攻克了这个难题,创造性地研发了一整套高性能碳纳米管CMOS电路的无掺杂制备方法,首次实现了5 nm栅长的高性能碳管晶体管,其工作速度3倍于英特尔最先进的14 nm商用硅材料晶体管,能耗却只有硅材料晶体管的1/4。,接近量子力学原理决定的物理极限,有望采用传统的平面工艺将CMOS技术推进至3 nm以下技术节点。
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中国在碳基芯片领域可以说超越了美国,领先了世界。中国目前通过研究发现,相比传统的硅基技术,新一代的碳基电子及其信息器件具有更优异的性能,在包括数字电路、射频/模拟电路、传感器件、光电器件等所有半导体应用领域都具备革命性的应用前景。
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当然,中国的碳基芯片方案能否终结硅时代,还要看后续的量产使用,但是起码中国这次拿到了入场券,可以和其他国家一起同台竞技,不再和上一次一样,连当观众的资格都没有。
至于很多人说,硅基芯片产业链目前已经非常成熟,不可能再有新材料去取代它,当初美国的硅基芯片之所以推行全球,也是采用了“自动升级”的循环流程:通过大规模制造和销售少数种类的芯片——主要是处理器和存储芯片——获得大量收入,然后投钱去改进工厂和设备,结果是在提升芯片性能的同时仍能降低价格,因此市场的需求也获得进一步提升。从而在短时间内构建了完善的半导体产业链,促进了半导体产业的发展,让信息革命和互联网革命成为了可能。
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如果把芯片比作一栋房子,晶体管就是建房的砖头,一栋栋的房子就构成了我们的信息社会。关于摩尔定律的终点,业界没有定论,但 2020 年至 2025 年,是人们普遍认为的摩尔定律“死亡期”。如果那一天真的来到,硅晶体管的尺寸将无法再缩小,芯片性能提升也将接近物理极限。那么,总会另外一种新材料就会成为新的“砖头”,新材料等出现,也会发展出新一套的流程,来快速形成新的半导体产业链。
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为了实现碳基芯片的量产,目前彭练矛教授决定首先从硅基芯片未涉足的应用或应用较少的领域出发,用碳芯片独有的技术优势制备产品,抢占诸如透明和柔性电子学、生物电子学等细分市场。在实现这些细分市场的产品商业化之后,再在市场支持和技术进步下,将碳芯片推向成熟、主流市场,最终实现全面市场化的宏伟目标。从而构建完整产业链。


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