適用了20余年的摩爾定律近年逐漸有了失靈的跡象。從芯片的制造來(lái)看，7nm就是硅材料芯片的物理極限。不過(guò)據外媒報道，勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室的一個(gè)團隊打破了物理極限，采用碳納米管復合材料將現有最精尖的晶體管制程從14nm縮減到了1nm。那么，為何說(shuō)7nm就是硅材料芯片的物理極限，碳納米管復合材料又是怎么一回事呢？面對美國的技術(shù)突破，中國應該怎么做呢？
適用了20余年的摩爾定律近年逐漸有了失靈的跡象。從芯片的制造來(lái)看，7nm就是硅材料芯片的物理極限。不過(guò)據外媒報道，勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室的一個(gè)團隊打破了物理極限，采用碳納米管復合材料將現有最精尖的晶體管制程從14nm縮減到了1nm。那么，為何說(shuō)7nm就是硅材料芯片的物理極限，碳納米管復合材料又是怎么一回事呢？面對美國的技術(shù)突破，中國應該怎么做呢？
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|XXnm制造工藝是什么概念？
芯片的制造工藝常常用90nm、65nm、40nm、28nm、22nm、14nm來(lái)表示，比如Intel最新的六代酷睿系列CPU就采用Intel自家的14nm制造工藝?，F在的CPU內集成了以?xún)|為單位的晶體管，這種晶體管由源極、漏極和位于他們之間的柵極所組成，電流從源極流入漏極，柵極則起到控制電流通斷的作用。
而所謂的XXnm其實(shí)指的是，CPU的上形成的互補氧化物金屬半導體場(chǎng)效應晶體管柵極的寬度，也被稱(chēng)為柵長(cháng)。
柵長(cháng)越短，則可以在相同尺寸的硅片上集成更多的晶體管——Intel曾經(jīng)宣稱(chēng)將柵長(cháng)從130nm減小到90nm時(shí)，晶體管所占得面積將減小一半；在芯片晶體管集成度相當的情況下，使用更先進(jìn)的制造工藝，芯片的面積和功耗就越小，成本也越低。
柵長(cháng)可以分為光刻柵長(cháng)和實(shí)際柵長(cháng)，光刻柵長(cháng)則是由光刻技術(shù)所決定的。由于在光刻中光存在衍射現象以及芯片制造中還要經(jīng)歷離子注入、蝕刻、等離子沖洗、熱處理等步驟，因此會(huì )導致光刻柵長(cháng)和實(shí)際柵長(cháng)不一致的情況。另外，同樣的制程工藝下，實(shí)際柵長(cháng)也會(huì )不一樣，比如雖然三星也推出了14nm制程工藝的芯片，但其芯片的實(shí)際柵長(cháng)和Intel的14nm制程芯片的實(shí)際柵長(cháng)依然有一定差距。
|為什么說(shuō)7nm是物理極限？
之前解釋了縮短晶體管柵極的長(cháng)度可以使CPU集成更多的晶體管或者有效減少晶體管的面積和功耗，并削減CPU的硅片成本。正是因此，CPU生產(chǎn)廠(chǎng)商不遺余力地減小晶體管柵極寬度，以提高在單位面積上所集成的晶體管數量。不過(guò)這種做法也會(huì )使電子移動(dòng)的距離縮短，容易導致晶體管內部電子自發(fā)通過(guò)晶體管通道的硅底板進(jìn)行的從負極流向正極的運動(dòng)，也就是漏電。而且隨著(zhù)芯片中晶體管數量增加，原本僅數個(gè)原子層厚的二氧化硅絕緣層會(huì )變得更薄進(jìn)而導致泄漏更多電子，隨后泄漏的電流又增加了芯片額外的功耗。
為了解決漏電問(wèn)題，Intel、IBM等公司可謂八仙過(guò)海，各顯神通。比如Intel在其制造工藝中融合了高介電薄膜和金屬門(mén)集成電路以解決漏電問(wèn)題；IBM開(kāi)發(fā)出SOI技術(shù)——在在源極和漏極埋下一層強電介質(zhì)膜來(lái)解決漏電問(wèn)題；此外，還有鰭式場(chǎng)效電晶體技術(shù)——借由增加絕緣層的表面積來(lái)增加電容值，降低漏電流以達到防止發(fā)生電子躍遷的目的......
上述做法在柵長(cháng)大于7nm的時(shí)候一定程度上能有效解決漏電問(wèn)題。不過(guò)，在采用現有芯片材料的基礎上，晶體管柵長(cháng)一旦低于7nm，晶體管中的電子就很容易產(chǎn)生隧穿效應，為芯片的制造帶來(lái)巨大的挑戰。針對這一問(wèn)題，尋找新的材料來(lái)替代硅制作7nm以下的晶體管則是一個(gè)有效的解決之法。
|1nm制程晶體管還處于處于實(shí)驗室階段
碳納米管和近年來(lái)非?；鸨氖┯幸欢?lián)系，零維富勒烯、一維碳納米管、二維石墨烯都屬于碳納米材料家族，并且彼此之間滿(mǎn)足一定條件后可以在形式上轉化。碳納米管是一種具有特殊結構的一維材料，它的徑向尺寸可達到納米級，軸向尺寸為微米級，管的兩端一般都封口，因此它有很大的強度，同時(shí)巨大的長(cháng)徑比有望使其制作成韌性極好的碳纖維。
碳納米管和石墨烯在電學(xué)和力學(xué)等方面有著(zhù)相似的性質(zhì)，有較好的導電性、力學(xué)性能和導熱性，這使碳納米管復合材料在超級電容器、太陽(yáng)能電池、顯示器、生物檢測、燃料電池等方面有著(zhù)良好的應用前景。此外，摻雜一些改性劑的碳納米管復合材料也受到人們的廣泛關(guān)注，例如在石墨烯/碳納米管復合電極上添加CdTe量子點(diǎn)制作光電開(kāi)關(guān)、摻雜金屬顆粒制作場(chǎng)致發(fā)射裝置。本次外媒報道的勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室將現有最精尖的晶體管制程從14nm縮減到了1nm，其晶體管就是由碳納米管摻雜二硫化鉬制作而成。不過(guò)這一技術(shù)成果僅僅處于實(shí)驗室技術(shù)突破的階段，目前還沒(méi)有商業(yè)化量產(chǎn)的能力。至于該項技術(shù)將來(lái)是否會(huì )成為主流商用技術(shù)，還有待時(shí)間檢驗。
技術(shù)進(jìn)步并不一定帶來(lái)商業(yè)利益
在過(guò)去幾十年中，由于摩爾定律在確實(shí)發(fā)揮作用，使中國半導體制造技術(shù)在追趕西方的過(guò)程中始終被國外拉出一段距離。而近年來(lái)，芯片制造技術(shù)進(jìn)步放慢，摩爾定律出現失效的客觀(guān)現象，對于中國半導體產(chǎn)業(yè)追趕西方來(lái)說(shuō)是一大利好。摩爾定律失效，一方面既有技術(shù)因素——先進(jìn)光刻機、刻蝕機等設備以及先進(jìn)芯片制造技術(shù)研發(fā)技術(shù)難度大、資金要求高......另一方面也有商業(yè)上的因素。
在制造工藝到達28nm以前，制造工藝的每一次進(jìn)步都能使芯片制造廠(chǎng)商獲得巨額利潤。不過(guò)，在制造工藝達到14/16nm之后，技術(shù)的進(jìn)步反而會(huì )使芯片的成本有所上升——在Intel最先研發(fā)出14nm制造工藝時(shí)，曾有消息稱(chēng)其掩膜成本為3億美元。當然，隨著(zhù)時(shí)間的推移和臺積電、三星掌握14/16nm制程，現在的價(jià)格應該不會(huì )這么貴。但英特爾正在研發(fā)的10nm制程，根據Intel官方估算，掩膜成本至少需要10億美元。新制造工藝之所以貴，一方面是貴在新工藝高昂的研發(fā)成本和偏低的成品率，另一方面也是因為光刻機、刻蝕機等設備的價(jià)格異常昂貴。因此，即便先進(jìn)制造工藝在技術(shù)上成熟了，但由于過(guò)于高昂的掩膜成本，會(huì )使客戶(hù)在選擇采用最先進(jìn)制造工藝時(shí)三思而后行，舉例來(lái)說(shuō)，如果10nm制造工藝芯片的產(chǎn)量低于1000萬(wàn)片，那么光分攤到每一片芯片上的掩膜成本就高達100美元，按國際通用的低盈利芯片設計公司的定價(jià)策略8：20定價(jià)法——也就是硬件成本為8的情況下，定價(jià)為20，別覺(jué)得這個(gè)定價(jià)高，其實(shí)已經(jīng)很低了，Intel一般定價(jià)策略為8：35，AMD歷史上曾達到過(guò)8：50......即便不算晶片成本和封測成本，這款10nmCPU的售價(jià)也不會(huì )低于250美元。同時(shí)，相對較少的客戶(hù)會(huì )導致很難用巨大的產(chǎn)量分攤成本，并最終使企業(yè)放緩對先進(jìn)制造工藝的開(kāi)發(fā)和商業(yè)應用。也正是因此，28nm制造工藝被部分業(yè)內人士認為是非常有活力的，而且依舊會(huì )被持續使用數年。
|中國應腳踏實(shí)地解決現實(shí)問(wèn)題
對于勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室將現有最精尖的晶體管制程從14nm縮減到了1nm，國人不必將其看得太重，因為這僅僅是一項在實(shí)驗室中的技術(shù)突破，哪怕退一步說(shuō)，該項技術(shù)已經(jīng)成熟且可以商業(yè)化，由于其在商業(yè)化上的難度遠遠大于Intel正在研發(fā)的10nm制造工藝——其成本將高昂地無(wú)以復加，這會(huì )使采用該技術(shù)生產(chǎn)的芯片價(jià)格居高不下，這又會(huì )導致較少客戶(hù)選擇該項技術(shù)，進(jìn)而惡性循環(huán)......從商業(yè)因素考慮，大部分IC設計公司恐怕依舊會(huì )選擇相對成熟，或者稱(chēng)為相對“老舊”的制造工藝。
對于現在的中國半導體產(chǎn)業(yè)而言，與其花費巨大人力物力財力去探索突破7nm物理極限，還不如將有限的人力物力財力用于完善28nm制程工藝的IP庫和實(shí)現14nm制造工藝的商業(yè)化量產(chǎn)。畢竟，對于國防安全領(lǐng)域而言，現有的制造工藝已完全夠用（美國的很多軍用芯片都還是65nm的），對于商業(yè)芯片而言，很多芯片對制程的要求并不高，像工控芯片、汽車(chē)電子、射頻等都在使用在一些硬件發(fā)燒友看起來(lái)顯得老舊的制程，而對于PC和手機、平板電腦的CPU、GPU而言，14nm/16nm的制造工藝已經(jīng)能將性能和功耗方面的需求平衡的很好。筆者認為，相對于耗費大量資源去研發(fā)新材料突破7nm物理極限，還不如腳踏實(shí)地地解決現實(shí)問(wèn)題。
