2016年以前，芯片行業(yè)內(nèi)有聲音認為： 7nm是硅芯片工藝的物理極限; 而現(xiàn)在，7nm制程的硅芯片已經(jīng)問世，新的聲音又出現(xiàn)了： 3nm才是極限。

但3nm以下的芯片該怎么發(fā)展? 對此，目前各大半導(dǎo)體廠商都沒有明確的答案。

芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨瓶頸，推出新的架構(gòu)是一大解決方案，但更“根本”的辦法，或許是找到能夠替代硅的新材料。

事實上，硅材料并非從一開始就是首選。 在硅之前，主流芯片材料是鍺，但鍺的“硬傷”，主要有三個：

一是含量少。 鍺在地殼中的含量僅為一百萬分之七且極為分散，被稱為“稀散金屬”。 沒有集中的“鍺礦”，導(dǎo)致鍺的開采成本十分高昂，也很難實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

二是高純度鍺的提煉難度很大。 純度不足的直接結(jié)果就是芯片性能難以提升。

三是穩(wěn)定性差。 采用鍺晶體管的芯片，最多只能承受80°C左右的高溫，而早期芯片的買方以政府軍方為主，這些客戶通常要求產(chǎn)品能夠經(jīng)受200°C的高溫，鍺芯片顯然做不到。

鍺的這些“硬傷”，恰好都是硅的長處。 硅在地殼中的含量高達26.3%，僅次于氧(48.6%)，是含量第二高的元素。 在穩(wěn)定性方面，硅也強于鍺。 在提純方面，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)能將純度無限提升至接近100%。

自從仙童公司發(fā)明了硅晶體管的平面處理技術(shù)，讓硅在芯片中的應(yīng)用變得簡單高效，硅就逐漸成為了芯片制造的主流材料。

如今，硅遇到了什么問題?

芯片發(fā)展的趨勢，可以簡單總結(jié)為： 體積更小、性能更強。 要朝這個方向發(fā)展，就要讓芯片單位面積上集成的元器件數(shù)量更多。 元器件尺寸越小，芯片上能集成的元器件就自然越多，當然這同時也意味著更高的制造難度。

這就好比房間越來越小，但里面要裝的東西卻越來越多，不管采用什么樣的“收納”方式，總有一天，這個房間會“過載”。

漏電和散熱不佳，就是硅芯片“過載”產(chǎn)生的問題。

實際上，這兩個問題并不是在當前芯片制程工藝走到了7nm這一時期，才突然出現(xiàn)的。 在硅芯片發(fā)展歷程中，這樣的問題也多次出現(xiàn)，但各大廠商都用各種方式巧妙解決了。 運用新的材料，就是其中一種方法，比如用鍺硅等元素作為信道的材料。 但如何將不同的材料整合到硅基板上，也是一項挑戰(zhàn)。

即使現(xiàn)在的7nm芯片并沒有像過去預(yù)測的那樣，達到硅芯片的物理極限，但硅的物理極限是必然存在的。

芯片的下一個“根本性”的突破，就是找到新的材料。

什么類型的材料有望成為主流?

近日，達摩院發(fā)布的“2020十大科技趨勢”預(yù)測： 新材料的全新物理機制，將實現(xiàn)全新的邏輯、存儲及互聯(lián)概念和器件，推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的革新。 例如，拓撲絕緣體、二維超導(dǎo)材料等，能夠?qū)崿F(xiàn)無損耗的電子輸運和自旋輸運，可以成為全新的高性能邏輯器件和互聯(lián)器件的基礎(chǔ)。

著名華裔科學(xué)家張首晟就在2016年宣稱： 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了新的拓樸絕緣體材料，并且該材料已經(jīng)實驗成功。 如果這種新的拓樸絕緣體材料最終能夠成功地應(yīng)用到半導(dǎo)體和芯片產(chǎn)業(yè)中，將帶來巨大的商機，也將造就一個新的硅谷時代。

當然，目前拓樸絕緣體在芯片制造領(lǐng)域的應(yīng)用，還處于比較早期的研發(fā)階段。 已知的是能夠解決電子芯片發(fā)熱的問題，但未來這種材料該怎么用、能用在哪里，還有許多需要探索的地方。 此外，拓樸絕緣體更多地被寄希望于應(yīng)用在量子芯片上，但量子芯片與經(jīng)典芯片是完全不同的兩個領(lǐng)域。

另一種新材料——二維超導(dǎo)材料，是時下半導(dǎo)體行業(yè)討論的熱門話題。 二維材料包括石墨烯、磷烯、硼烯等，這些材料更有希望成為主流材料。

其中，石墨烯是最突出的一個。

之所以看好石墨烯，是因為它除了“二維”這個屬性外，還有一個身份——碳納米材料。 早在2012年，IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會)就在《超越摩爾》中寫道，未來半導(dǎo)體工業(yè)可能從“硅時代”進入“碳時代”。 碳納米材料石墨烯可能在未來代替原來的硅基材料。

碳納米管是由石墨烯片卷成的無縫、中空的管體，導(dǎo)電性能極好，而且管壁很薄。 因此，理論上在同樣的集成度下，碳納米管芯片能比硅芯片更小; 此外，碳納米管本身產(chǎn)熱很少，加上有良好的導(dǎo)熱性，因此能夠減少能耗; 此外，從開采成本考量，碳的分布廣泛，獲取成本并不高。

更重要的是，石墨烯作為人類最早發(fā)現(xiàn)的二維材料，其應(yīng)用已經(jīng)在屏幕、電池、可穿戴設(shè)備上出現(xiàn)，石墨烯的研究已經(jīng)到了相對成熟的階段。 因此，石墨烯最為有望成為新的主流芯片材料，取代硅的地位。

目前中國自主研發(fā)的傳統(tǒng)芯片，還在28nm到14nm制造工藝的商業(yè)化量產(chǎn)轉(zhuǎn)化過程中，與國際先進水平還有較大的差距。 但這都是建立在硅作為芯片主要材料的基礎(chǔ)上來說的，如果未來碳納米材料能夠成為主流，那么中國是否有機會在這個節(jié)點上，實現(xiàn)彎道超車?

首先，中國的碳納米管器件研究與國際前沿水平差距不大。 國際上最早實現(xiàn)碳納米管器件制備的是IBM，2017年IBM通過使用碳納米管將晶體管尺寸縮小到40nm; 同年，北京大學(xué)研制了120nm的碳納米管晶體管，在0.8伏特電壓下的跨導(dǎo)，為已發(fā)表的碳納米管器件中的最高值。

但任何技術(shù)的發(fā)展都不會一帆風順。 石墨烯在芯片制造領(lǐng)域的應(yīng)用面臨著三大難題： 首先，目前高純度的石墨烯還比較難獲得; 其次，石墨烯晶圓的制造也十分困難，雖然現(xiàn)在中國已經(jīng)率先實現(xiàn)石墨烯單晶晶圓的規(guī)?；苽?，但在當前的制作工藝下，還是容易出現(xiàn)褶皺、點缺陷和污染的情況; 最后，要讓納入器件的石墨烯能夠繼續(xù)保持其優(yōu)良的性能，其他相關(guān)的制作工藝和材料也需要與之配套迭代，才能保證以石墨烯為原料的芯片得以穩(wěn)定運行。

簡單總結(jié)來說，石墨烯還是一個比較新的材料。 要想讓石墨烯能夠真正替代硅，成為芯片的主流材料，在制造工藝以及配套器件的技術(shù)跟進上，還有許多難題需要解開。

對中國而言，在技術(shù)新舊交替的節(jié)點上，無疑存在著彎道超車的機會。 但需要正視的問題是： 國內(nèi)對新概念往往過于狂熱。 石墨烯在芯片等眾多領(lǐng)域確實大有潛力，但從發(fā)現(xiàn)潛力到產(chǎn)業(yè)化，中間需要的是腳踏實地的研究，也需要大眾對新技術(shù)研發(fā)失敗的包容。

中國芯片的彎道超車，不僅僅需要“新”材料，更需要的是“新”的產(chǎn)學(xué)研體系，以及更加開放包容的投資環(huán)境。