石墨烯芯片方向对了,绕过5nm光刻机,能救华为吗?

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5nm光刻机来之不易,ASML耗时20年,华为芯片困局难解

当下,华为遭遇芯片困局,缺少的正是光刻机。

如果我们自研光刻机,需要攻克多个难题。

石墨烯芯片方向对了,绕过5nm光刻机,能救华为吗?

这个时候,我们不妨主动打破这个局面,换道超车。于是,有人想到了碳基芯片。

提到碳基芯片,必须要先说一下现在的硅基芯片。

当下的光刻机已经可以生产5nm工艺芯片,可是,这已经接近物理极限。

想要进一步突破,太难了,台积电3nm芯片最快也要到2022年才能量产。

虽然说ASML已经设计好了1nm的光刻机,可距离量产还有一段时间。

需要强调的是,在20nm以后,芯片漏电情况很严重。

华人科学家胡正明发明的FinFET技术,成功打破摩尔定律,使得芯片工艺才得以继续突破。

不过,胡正明教授认为,5nm左右就是物理极限,再往前进漏电状况会加剧,芯片能耗会加剧。

当下的5nm芯片,已经出现此类问题。比如高通骁龙888苹果A14和华为海思麒麟9000,在功耗方面都有“翻车”的迹象。

石墨烯芯片方向对了,绕过5nm光刻机,能救华为吗?

台积电的2nm工艺,必须要继续改良,或许要用上GAAFET技术。

同时,受制于摩尔定律,硅基芯片是有终点的。

芯片是由晶体管组成的,晶体管的核心部件是COMS管。

COMS管的构造包括:源极、栅极和漏极。

我们提到的芯片工艺,7nm、5nm指的是栅极的最小线宽(可以理解为COMS管长度)。

芯片是通过纯净的硅制造而来,硅原子之间的距离大概是0.6nm。

举例说明,12nm的芯片沟道上,大约有20个硅原子。

而工艺误差和硅元素的不稳定性,会导致原子丢失(大数定律),这会影响芯片的实际性能表现。

这个时候,量子隧穿会导致漏电效应和短沟道效应。

通俗来说,芯片制程越先进,沟道越短,那么这种影响就会越大。

最终,晶体管数量没法再增加,摩尔定律失效。

从物理学和统计学角度来看,硅基芯片的终点一定会到来,极限在1nm左右。

我们刚提到的FinFET和GAAFET技术,可以改善栅极对电流的控制能力,从而提升了芯片工艺制程。

这种方法是有终点的。

所以呢,科学家正在想别的办法:寻找硅之外的新材料,比如石墨烯,以此为基础,打造碳基芯片。

碳基芯片有两个方向:“碳纳米管芯片”和“石墨烯芯片”。

北大在碳纳米管方向有所突破,已经研制出单片光电集成芯片。

中科院的团队已经制造出8英寸的石墨烯晶圆。

我们重点说石墨烯,与硅对比,石墨烯有这些亮点。

石墨烯是最薄的纳米材料,厚度只有0.335nm;它也足够硬,比钢铁的强度高200倍。

同时,石墨烯的导电性是硅的100倍,导热性比铜强10倍。

我们可以得出结论,石墨烯这种材料是可靠的。

石墨烯芯片可以做到1nm以下,同样的工艺制程,石墨烯芯片性能会更强,功耗会更低。

目前,中芯国际已经可以生产14nm芯片,假设我们可以量产石墨烯芯片。在当前的工艺条件下,石墨烯芯片的实际表现会超过台积电5nm芯片。

石墨烯芯片看来是个不错的方向呢,问题来了,制造这玩意难度大吗?

首先,我们要提炼纯净的石墨烯,这是难点之一。目前来看,成本相当高,提纯1克需要5000元。

其次,纯净的石墨烯没法做成逻辑电路,需要改良形态,或者加入新的材料,制造出有功能的结构,这是难点之二。

比如,我们提到过的碳纳米管芯片,原理是把石墨烯改造成碳纳米管,以此来充当半导体,石墨烯充当导电沟道。

现在的硅基芯片则不同,我们只需做提纯工作,地球上的硅元素太丰富了,成本也不高。纯净的硅晶片就是制造芯片的绝佳材料。

第三呢,碳基芯片或许不需要光刻机,直接在石墨烯晶圆上切片、刻蚀和注入离子。虽然绕过了5nm光刻机,可碳基芯片的量产落地,肯定也需要用到类似的高精度设备。

解决以上问题,至少需要我们的科学家努力5-10年。

除此之外,还有其它的问题要解决吗?笔者认为肯定是有的。

可是,在硅基芯片终点即将到来的时候。利益集团为了巩固自己的红利,封锁华为。

这个时候,我们不得不自强,从其它方向突破。

笔者认为,碳基芯片是未来的一个方向。我们现在的努力,不管有没有结果,对未来都是有好处的。

首先,石墨烯是一种有用的材料,它不仅仅可以做芯片,还有更大的用处。

我们早一天行动,就多一分胜算。

现在我们说碳基芯片,说石墨烯,在很多人看来,可能只是一个笑话。

甚至有人调侃:“石墨烯最大的贡献是造就了无数的硕士、博士”。

毫无疑问,现在的石墨烯研究,还停留在理论水平。

可是,科技的发展进步需要一个过程,我们不能轻易放弃。

很多人都知道华为缺少光刻机,其实,华为设计芯片用的EDA软件也遭到了封锁。

石墨烯芯片方向对了,绕过5nm光刻机,能救华为吗?


当年,我们也有自己的芯片设计工具EDA熊猫系统。

1993年,EDA熊猫系统问世,1994年,国外巨头Cadence进入中国市场。随后,其它巨头也解除对我们的封锁,合力围剿熊猫EDA。

1982年,科学院109厂的KHA-75-1光刻机,与世界最先进的水平差距不到4年。

1985年,机电部45所研制的分步光刻机样机,与国际最高水平对比,差距不超过7年。

随后,我们开始引入外国设备,差距开始加大。

而外国巨头对我们的封堵也越发的丧心病狂。

2015年,上海微电子即将启动90 nm光刻设备量产。《瓦森纳协议》马上解除限制,荷兰ASML的64nm光刻机进入中国市场。

套路很清晰,当我们有突破的时候,对方就取消封锁,用价格战来瓦解我们。

我们现在研究碳基芯片,国外的科学家也在努力,这是未来的方向。

在碳基芯片领域,道阻且长,我们有可能弯道超车。早一点行动,多一分努力,就有希望。

石墨烯芯片方向对了,绕过5nm光刻机,能救华为吗?

短时间内,华为无法依靠碳基芯片来打破困局。

我们要做的就是正视差距,努力追赶,同时,更不能妄自菲薄,放弃自己的核心成果。

标签: 华为

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