隨著摩爾定律逐漸失效，現(xiàn)在智能設(shè)備使用的硅基半導(dǎo)體技術(shù)很快會碰到極限，在多個新的技術(shù)方向中，石墨烯芯片或許是個不錯的選擇。

2000年10月10日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將本年度諾貝爾物理獎授予三位科學(xué)家，分別是俄羅斯圣彼得堡約飛物理技術(shù)學(xué)院的若爾斯-阿爾費羅夫、美國加利福尼亞大學(xué)的赫伯特-克勒默和德州儀器公司的杰克-S-基爾比，以表彰他們?yōu)楝F(xiàn)代信息技術(shù)的所作出的基礎(chǔ)性貢獻，特別是他們發(fā)明的快速晶體管、激光二極管和集成電路(芯片)。

如果你認為手機等智能設(shè)備改變了世界，那正是因為這些偉大的發(fā)明首先改變了這些設(shè)備。在閱讀這篇文章時，我們手上也正握著數(shù)項諾獎級的成果。對于智能設(shè)備而言，經(jīng)過了十幾年的發(fā)展， 性能的提升依然是消費者和廠商最為關(guān)注的要點，更具體來說，這很大程度上取決于設(shè)備中芯片性能的提升。

在摩爾定律應(yīng)用的近60年時間里，計算機從艾尼阿克這樣的龐然大物變成每個人都不可或缺的便攜式設(shè)備，信息技術(shù)也由軍事實驗室進入無數(shù)個普通家庭之中。不過，芯片性能的提升，目前還主要依賴于制造工藝的升級，而由于愈發(fā)逼近物理極限，工藝研發(fā)難度不斷加大，“摩爾定律”將失效的聲音也越來越大。


硅基芯片即將到達性能極限

由于高純硅的獨特性，導(dǎo)致其集成度越高，晶體管的價格越便宜，這樣也就使得摩爾定律產(chǎn)生了經(jīng)濟學(xué)效益。在1990年左右，一個晶體管要10美元左右，但隨著晶體管越來越小，小到一根頭發(fā)絲上可以放上千晶體管時，每個晶體管的價格就下降至此前的千分之一。

就在本月，先后發(fā)布的聯(lián)發(fā)科天璣9200和高通驍龍8 Gen2兩款旗艦處理器，采用的都是臺積電4nm工藝，但卻并沒有使用3nm工藝。從本質(zhì)上來說，臺積電4nm工藝其實是基于2020年的5nm工藝節(jié)點的改名而已，這一幕其實在臺積電的6nm工藝時就發(fā)生過，6nm本質(zhì)上也是7nm工藝節(jié)點的改進。

這種“換湯不換藥”式的改名，意味著晶體管微縮技術(shù)發(fā)展的放緩。

如今，還在繼續(xù)堅持攻克先進制程的晶圓廠僅剩下臺積電、三星、英特爾等幾位高端玩家，先進制程所必需的高昂芯片研發(fā)、制造費用也給公司帶來了巨大的成本壓力與投資風(fēng)險，這也進一步迫使企業(yè)尋求性價比更高的技術(shù)路線來滿足產(chǎn)業(yè)界日益增長的芯片性能的需求。而且隨著摩爾定律不斷逼近極限，現(xiàn)在的硅基半導(dǎo)體技術(shù)很快會碰到極限，1nm及以下工藝就很難制造了，在多個新的技術(shù)方向中，石墨烯芯片是其中一個選項，國內(nèi)也有多家公司組建聯(lián)盟攻關(guān)這一技術(shù)。


石墨烯芯片到底能不能繞過光刻機？

近日，在中國國際石墨烯創(chuàng)新大會，很多公司成立了石墨烯銅創(chuàng)新聯(lián)合體，希望研發(fā)出石墨烯芯片，來替代硅基芯片，從而解決卡脖子問題。

更重要的是，目前硅基芯片已經(jīng)快要按近工藝極限，達到了3nm，而極限可能在1nm，空間有限。而石墨烯芯片電子遷移率遠高于硅基材料，性能是硅基芯片的10倍，同時功耗還低。

所以一時之間，網(wǎng)友們又沸騰了，表示目前我們在硅基芯片的先進工藝上受阻，我們應(yīng)該努力研究石墨烯芯片，來替代硅基芯片，甚至可以繞開EUV光刻機。

石墨烯芯片，究竟是什么芯片？其實是采用石墨烯為材料的一種芯片，石墨烯中，碳原子是以六方晶格排列的，所以具備高電導(dǎo)率、高導(dǎo)熱性，能使數(shù)據(jù)傳輸更快，也能夠使功耗更低，還好的散熱。

也正因為如此，所以研究表明，石墨烯芯片，可以實現(xiàn)100GHz的頻率，而硅基芯片最高也只能達到10GHz的頻率。

因為具備這些特性，所以石墨烯被定位為下一代新型半導(dǎo)體材料。只不過石墨烯芯片不好造，到目前也沒有造出真正意義上的、能大規(guī)模量產(chǎn)的、能實用的石墨烯芯片，更多的還是停留在實驗室。

另外芯片從設(shè)計到最后的實用，還需要一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，目前這也是石墨烯不具備的，所以石墨烯芯片，離實用，可能還差十萬八千里，短時間內(nèi)大家就別想了。

此外，在于制造工藝方面，目前并沒有證據(jù)表示，石墨烯就不需要光刻機了。之前在非大規(guī)模制造時，研究人員沒有使用光刻機，并不代表大規(guī)模制造時，不需要光刻機。

按照當(dāng)前芯片制造的模式來看，所有大規(guī)模量產(chǎn)的芯片，都是通過光刻的方式，將電路圖刻到硅片上面去的，而石墨烯本身只是材料的不同，其模式、流程其實還是一致的。

如果要繞開光刻機，可能要對整個芯片產(chǎn)業(yè)鏈重塑或者重構(gòu)，這可能遠比繞開光刻機更難，所以別想著用另外一種芯片材料來繞開EUV光刻機，這可能比研發(fā)出EUV光刻機更不現(xiàn)實


尖端芯片技術(shù)競爭

有句話說得好：“19世紀是鐵時代，20世紀是硅時代，21世紀是碳時代。”21世紀是碳的時代，也是芯片的時代。

美國IBM宣稱自己已經(jīng)實現(xiàn)了2nm芯片技術(shù)，但是實際上并沒有大規(guī)模投入生產(chǎn)，這只是實驗室小規(guī)模的結(jié)果。

不過，也的確能代表美國在芯片市場上的壟斷地位。

中國作為世界第二大經(jīng)濟體，在科技上也有了很大的進步，掌握了許多尖端科技，但芯片技術(shù)還沒有超越美國。

美國此次對華斷供芯片，就是在展示自己的科技實力，用核心技術(shù)卡脖子，來保護本國企業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)這類科技公司如果沒有核心芯片的支持，許多產(chǎn)品都無法運行，怪不得此次斷供引起軒然大波。

我們國家芯片技術(shù)的發(fā)展不如美國起步早，但是卻一直在默默追趕。

美國IBM發(fā)布2nm芯片技術(shù)后，中科院也發(fā)布石墨烯芯片技術(shù)，向全世界展示了石墨烯晶圓。

石墨烯晶體管具有高電子活度和快遷移率，用石墨烯晶片制成的石墨烯芯片在相同工藝條件下性能強、功耗低。這是國產(chǎn)芯片“變道超車”的良機。

很明顯，兩個國家都想抓住這次的機會，成為芯片技術(shù)的領(lǐng)軍者。可惜目前這兩種技術(shù)都還不是很成熟。

美國IBM公司的芯片技術(shù)，很大程度上要依賴三星公司的3nm砷化鎵技術(shù)源，兩家公司的合作還需要進一步磨合。

我們中國的石墨烯芯片雖然可以小規(guī)模生產(chǎn)，但美中不足，它的性能都還要進一步完善。要知道，進入市場的芯片要求確保技術(shù)的成熟和穩(wěn)定，如果經(jīng)常出現(xiàn)錯誤，造成客戶不滿意，對企業(yè)而言反而是不利的。

所以這兩種技術(shù)要商業(yè)化，還有一段路要走，不過這條路雖然坎坷，好在已經(jīng)實現(xiàn)了巨大的突破，未來想要投入實際大概也是遲早的事情。

只是根據(jù)實際情況考慮，現(xiàn)在全球市場芯片雖然的確是供不應(yīng)求，但缺少的并不是高端芯片，反而是中低端芯片。

21世紀初就有的14nm和28nm的芯片，它們占了90%的市場，雖然比較厚，功能也不如最新的7nm芯片強大，但是它的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，商業(yè)化程度很高，而且，它已經(jīng)足夠滿足市場上大部分的芯片功能需求。

再小一點的7nm和5nm芯片，主要供應(yīng)高端手機和臺式電腦，這兩種芯片又是剩下10%的芯片中的大塊頭。所以說，目前來說這種高端芯片的用途還不能大眾化，自然需求也就不大。