上海宿龙半导体科技有限公司 上海宿龙半导体科技有限公司

4008-691-676

新闻资讯

没有高端光刻机,中国就造不出来芯片?碳基芯片能否弯道超车?

编辑:宿龙半导体 浏览:922次 时间:2022.07.08

造个小小的芯片,真的有那么难?

现如今,中国天宫空间站都上天了,第三艘航母福建舰也已经下水,这些不都是高科技技术嘛,这里面的芯片不就是国产的?

同学,这话说得确实没错! 

在军事、航空航天等涉及到国家安全的领域,国产芯片确实可以实现自给自足,但是有一说一,航天芯片跟手机芯片完全不是一回事,我们被美国卡脖子卡的是后者。

那么手机芯片制造究竟有多难?中国有没有弯道超车的可能?

手机芯片

就拿华为麒麟990 5G芯片举个例子。

根据测量,麒麟990 5G芯片的面积为113.31平方毫米,这么小的地方,大家猜猜集成了多少个晶体管?

 

答案是103亿个晶体管,而这还仅仅是7nm工艺。

如今5nm, 2nm芯片都已经横空出世,别看数字变化不大,但是里面的晶体管数量那可是翻了好几倍呢。

根据相关材料来看, 2nm芯片每平方毫米可容纳3.33亿个晶体管,在指甲大小的芯片上一共容纳了500 亿个晶体管。

 

人类之所以能研制出越来越小的芯片,主要源于不断精进的紫外线波长,而这背后靠的其实是一款特别牛的设备,那就是荷兰阿斯麦的光刻机。

它家的光刻机主要有两种,DUV(深紫外线)和EUV(极紫外线)

DUV的光源波长有193nm,而最先进的EUV的光源波长为13.5nm,换句话说就是波长越短,雕刻出来的电路越精细,芯片的制程也就越短。

因此DUV只能用于制造7nm及以上制程的芯片,EUV则可以用于5nm及以下先进制程。

 

而且更重要的是,EUV光刻机是全球化的产物,有超过10万个零部件,并且涉及到5000多个供应商!其中光源设备来自美国、镜头来自德国蔡司,光学技术由日本提供。

目前全世界能生产5纳米芯片的只有三星与台积电,但三星生产的芯片,良品率一直是个问题,真正能稳定生产的只有台积电一家。

由于大家都懂的原因,中国目前买不到先进的光刻机,显然就造不出先进的芯片。

所以摆在我们面前只有两条路,一条就是举全国之力研发光刻机,另外一条就是另辟蹊径,研究新的材料。

先来说说光刻机的国产化方面,上海微电子的“28nm光刻机”据说已研制成功,但目前还没有落地的消息。

别人光刻机都5nm了 ,国产才28nm?这技术也相差太大了吧。

虽然差距大,但在实际运用中,28nm制程的芯片,已经可以满足现在绝大部分工业上的需求,再往下精度的芯片,对普通民众来说实际上已经性能过剩。

同时在材料方面,我们也有很大的突破,独创使用碳纳米管来代替晶体管,可以不用先进的光刻机就可以生产出碳基芯片。

碳基芯片

碳纳米管,碳基芯片? 这些是什么东西?

所谓碳纳米管,这是一种1991年被发现的新型材料,由呈六边形排列的碳原子构成的单层或者多层圆管。

而第一个碳纳米管晶体管,是在1998年由美国和荷兰科学家制备出来的。

与传统的硅基晶体管相比,碳基晶体管具有成本低、功耗小、效率高的显著优势。

理论上来说,碳晶体管的极限运行速度是硅晶体管的5-10倍,而功耗方面却只是后者的十分之一。

也就是说碳纳米管的性能贼强,耗电贼慢,而碳基芯片就是使用这种材料做成的芯片。

那么中国的碳基芯片发展到了什么水平了?

在2006年之前,我国科学家在这个领域的贡献基本是零,但到2017年情况就发生了变化。

2017年,北京大学电子系教授彭练矛课题组就实现了用碳纳米管研制出了晶体管,准确的说是5nm栅极碳纳米管CMOS器件,这也是中国第一次掌握了世界最先进的晶体管技术。

这种器件产生的效果也是不错的,其工作速度相当于英特尔最先进的14纳米商用硅材料晶体管的3倍,能耗仅占1/4。

2020年,彭练矛课题组又取得重大突破,在之前的基础上首次实现性能超越同等栅长硅基 CMOS 技术的晶体管和电路。

其电路频率超过了8GHz,比之前世界上最好的、由IBM团队于2017年创造的280MHz的频率提升了几十倍,这无疑是个巨大的利好消息。

虽然目前最复杂的碳纳米管芯片的集成度只有几万个晶体管,与硅基芯片的上百亿个晶体管相比有天壤之别。

 

但从目前已掌握的技术来看,一旦技术成熟,碳基芯片将有望把集成电路技术推进到3纳米以下,性能将超越硅基芯片10倍以上。

不过现在北大团队的成果还只是在实验中,离量产还有很长的路要走,但是这已经为我们在芯片产业上的突破提供了一种可能性。

 

要知道碳基芯片的晶圆生产工艺,跟之前的硅基是完全不一样的。

因此对光刻机的精度要求也就没有这么高,甚至对光刻机的工艺要求也不一样,所以可以绕开国外的EUV光刻机,使用国产光刻机也完全应付的来。

感悟

一直以来,英特尔和台积电等晶圆厂商,都使用硅基技术来生产芯片。但由于摩尔定律的日渐式微,当下的硅基芯片技术,即将碰触极限。

那对于我们来说该怎么办?

 

每当我们想创新的时候,美国人总是告诉我们:我这里的芯片都是最先进的,你们还费那个劲干什么?现在全球经济一体化,都在强调全球产业链的分工合作,中国没必要做芯片研发。

所以一直以来,中国从国外进口芯片的数目一直惊人。

2021年我们进口的芯片总数为6354.8亿颗,平均每天进口17亿颗,买这些芯片花了27934.8亿元。

这是什么概念呢?

如果按照14亿人来算的话,平均每位国人要花2000元。

再说个数据吧,2021年我国进口商品总额大概是17万亿,芯片进口额就占进口总额的16%,也就是说每进口6块钱的商品中,就有1块钱是芯片。

这说明中国的芯片生产能力严重不足,很容易被卡脖子。

要想在芯片上面取得领先,硅基芯片上面的可能性无限趋于零,一个EUV光刻机就把我们卡的死死的。

而想要打破这种局面,碳基技术无疑是换了一个新的赛道。

很多人会觉得中国芯片技术的底子薄弱,跟国外差距太大,这就相当于是倒数第一的学生再怎么学习,也很难排到班级前几名吧。

但世事没有绝对的,如果回顾中国复兴之路就会发现,我们经历过太多原本不可能的事情,一次次实现不可能的奇迹。

从上个世纪的原子弹问世、氢弹的成功研制,再到抗美援朝打败不可一世的美国联军,最后再到如今国产大飞机C919成功试飞,003航母福建舰成功下水等等。

 

谁说我们造不出原子弹?谁说我们造不出航母?这不都啪啪啪打脸不是。

所以如今中国的发展可能超乎大家的想象,没有什么不可能完成的,碳基芯片的发展也是如此。

伟人曾经说过,星星之火可以燎原,而碳基芯片就是这样的一个小火苗,未来一定会有那么一天,使中国能够重回世界之巅!