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碳基芯片 什么是碳基芯片?真的能助力华为和中芯国际,实现弯道超车吗?

小编 2024-10-06 芯片中心 23 0

什么是碳基芯片?真的能助力华为和中芯国际,实现弯道超车吗?

碳基芯片:华为和中芯国际弯道超车指日可待?

按照材质来分类,主流市场上使用的芯片基本都是硅基芯片,如果出现什么意外的话,那就是工程师们用于实验的新产品。硅基芯片从上个世纪60年代使用至今,即使中间出现了几次危机也都安然解决了。

但这并不意味着硅基芯片以后就不会再出现问题,相反,以后的出现的问题将更难解决。这是一个材料极限的问题,就像饭量一样,多吃一碗会撑,多吃10碗会撑死,硅基芯片现在就处于撑与撑死之间的状态中。

于是科学家们瞄准了一种新的材料,这种材料制造出的芯片被称为碳基芯片,它的卓越性能使得国际上许多超级团队都在研究这类材料,再加上一些国内外的传闻,不少媒体甚至认为华为和中芯国际将会凭借碳基芯片弯道超车。

性能超标:碳基芯片何以被媒体如此倚重?

碳基芯片由碳基晶圆打造而来,碳基晶圆的基础则是一种被称为石墨烯的半导体材料,无论是散热还是运转速度,利用它打造出来的芯片,其性能千倍万倍于同一工艺制程的硅基芯片,由此被世界各国所重视。

此前有文章提到,56nm的碳基芯片就能媲美14nm的硅基芯片,28nm的碳基芯片就能媲美当前市场上麒麟9000、骁龙888等一类5nm芯片,然而事实却是,世界上尚没有一家公司能够造出以上的碳基芯片。

没有了实体芯片支持,以上的数据自然就成了一些推测或者超前的计算,关于凭借碳基芯片弯道超车,追上台积电和三星的传闻,中芯国际在互动平台上表示:公司从未涉及到石墨烯晶圆领域。

我国造出8英寸碳基晶圆,转机出现?

尽管没有芯片造出来,可是早在2020年10月的时候,中科院确实展示了一批8英寸的石墨烯晶圆。这一项发明不敢说世界唯一,但绝对是站在了最顶尖的行列,引起了我国乃至世界半导体领域极大的轰动。

碳基晶圆问世,性能十倍于硅基晶圆,代工成芯片后,其优势还将被无限放大。于是不少文章表示,华为芯片出现转机,中芯国际赶超台积电全部也是指日可待。确实未来可期,然而这日子恐怕会很长。

一方面世界各国对于石墨烯的研究,还没有到达让碳基晶圆批量生产,满足各大企业需求的地步;另一方面就算晶圆能够批量生产,与碳基芯片配套的生产设备,诸如光刻机、蚀刻机在内的,世界上还没有一家企业能够生产。

碳基芯片确实是替代硅基芯片的最佳选择

随着晶体管数量成倍增加,硅基芯片材料极限到来,摩尔定律失效,半导体领域正逐步过渡到一个后摩尔定律时代,碳基芯片成了领域内公认的最佳替代材料,不少企业也在全力研究与之相关的产品。

然而作为一种全新的材料,并不是谁都有实力在上面得到一些成果,发展速度也就变得缓慢了下来。按照台积电和三星的计划,他们仍然打算进行3nm、2nm的芯片代工,1nm工艺制程也在企业的考虑之内。

如果说硅基芯片到了1nm工艺制程就面临极点,那么至少也得等到五六年之后了,何况硅基芯片并没有到不能用的地步,所以说华为和中芯国际凭借碳基芯片弯道超车,除非是整个行业都确认更换碳基芯片的时候。

碳基芯片什么时候问世,与此配套的产业链什么时候成型,都是我们需要考虑的问题。不过既然中科院已经遥遥领先,未来面对国外各种不友好的时候,我们还有什么需要担心的呢?

碳基芯片真的能够弯道超车吗?华为任正非一语中的

最近关于华为芯片供应链的话题一直都很沉重。在继续让台积电、中芯国际定制生产基本无望的情况下,本来寄希望于采购高通、联发科的成品芯片来维持业务,却让美国的一则修正版禁令让华为陷入了彻底“断芯”的危机,刚刚成为首个闯进全球前十的国产芯片公司的华为海思,很可能就此“夭折”,解决芯片领域“卡脖子”的难题,从来没有现在这么迫切过。

但我们知道,这个难题的解决非一日之功。最近网络上除了替华为鸣不平,就是在给华为出谋划策,为我国自主芯片的长远发展出主意。但除了老老实实做自力更生的努力,笔者确实没有看到,华为芯片供应链在短期内有什么好的解决方案。有很多人认为摩尔定律已经逼近极限,硅基芯片的缺陷越来越明显,再次把碳基芯片这个话题抛了出来,甚至希望这方面的突破能够弯道超车,快速化解我们芯片领域面临的“卡脖子”问题。

今年5月下旬,美国刚刚宣布针对华为芯片的最新禁令,《科学》杂志上一篇题为《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》的论文就引起了强烈关注,这也让北大张志勇教授和彭练矛教授课题组的最新研究成果被曝光。他们在高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料的基础上,首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路,被认为是奠定了我国在碳基电子元器件领域的领先优势,并可能成为国产芯片的一个重要突破口。

确实,我国在芯片领域频频被“卡脖子”,主要是我们缺少核心技术,无法主导其中任何一个关键环节。如果能够扬长避短,从碳基材料开始,突破当前的主流半导体技术,不但可以对芯片领域的发展产生深远影响,也将让我们的自主芯片技术迈出一大步,从局部开始突破美国的芯片封锁。

但是,且不说现在提碳基芯片的大规模应用还为时过早,而且,这仅仅只是芯片供应链中材料这一个关键环节,即便成功,离整个供应链的弯道超车还是有很大的距离。华为的这次芯片危机,台积电、中芯国际等代工厂都不能给华为生产芯片了,表面上看似乎是卡在了制造环节,但实际上华为除了在芯片设计上有了积累和突破,我们在芯片供应链的其他多个环节,仍然有着难以跨越的差距。

芯片生产从大的方面可区分为设计、制造、封测等主要环节,在每个环节我们的弱点都很明显。设计有关的EDA工具软件主要是美国的;主流的移动芯片架构技术掌握在ARM手中,如果英伟达收购谈判顺利,则也很可能就要转移到美国公司手中了;而制造就更加复杂,除了我们耿耿于怀的光刻机,还有原材料和制造工艺等诸多难点;至于我们做得比较好的封装测试,多项设备依然无法自力更生。进一步讲,即便是我们真的有机会掌握整个供应链的各项技术,但其中需要的多种精密仪器和设备,目前都掌握在美日韩或者欧洲手中,短时间内要实现突破基本是不可能的。

因为,这其中很多高精尖的技术和设备,往往融合了数学、物理学、化学等多类基础科学的研究成果,这正是我们的短板和弱项 。对此,华为任正非早已有清醒的认识,并一语中的。任正非曾多次强调基础科学和基础研究的重要性,他认为必须重视基础教育,特别是农村的基础教育,有了基础教育,才会有基础研究;有了基础研究,才会有基础理论;有了基础理论,我们才有突破的可能性,否则就不可能领先。

但是,一个基础理论的形成往往需要数十年的时间,“如果大家都不去认真做理论,都去喊口号,几十年以后我们不会更加强大”,又何谈弯道超车呢 ?前不久,半年多来都没有怎么抛头露面的任正非先生再次高调出场,带队访问了上海交大、复旦大学、东南大学和南京大学四所高校,其目的就是要推进科研创新和人才培养、促进产学研相结合。任正非再次表示,希望华为能助力大学的老师做深入的研究,这正是华为多年来一直不遗余力投入基础研究的重要原因。

在芯片领域我们既然薄弱,经常被“卡脖子”,就必须迎头赶上。全面突破很难,但我们不得不做,不得不多方位布局,尤其是基础科学和基础研究更不能丢,人才的培养和科研环境的改善一定要着眼于长远。华为遭受这么严厉的打压,仍然还在不断加大在基础科学研究上的投入,我们更不应该有点成绩动不动就想着如何超车,而是应该脚踏实地静下心来搞好基础的研究。

前不久,华为通过高薪全方位引进高层次人才引起热议,利用高薪“挖人”,既说明人才的重要性,也说明我们在关键技术人才培养方面的不足。据了解,我国现有的EDA人才仅有数百人,整个芯片领域人才缺口更是高达数十万。按照规划,到2025年我们要达到芯片自给率70%的目标,但2019年的芯片自给率只有30%,在美国的持续打压之下,要实现这项十分艰巨的目标,关键还是在人才。

有了人才、有了基础研究的成果,突破和赶超就是水到渠成的事。否则,如果把一切都建立在别人的基础之上,终究还是免不了命运被掌握在他人手中,随时都有被打压和封锁的可能。

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