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國產2nm晶片有望破冰 能彎道超車?

中芯國際14納米級晶片提前一年實現量產 截圖自《浦東時報》 2019年12月,武漢弘芯半導體舉行了首台高端光刻機設備進廠儀式。

2020-01-17 13:06 / 0人閱讀過此篇文章  

【文/科工力量專欄作者 鐵流】

近日,中科院對外宣布,中國科學家研發出了新型垂直納米環柵電晶體,這種新型電晶體被視為2nm及以下工藝的主要技術候選。之後,有媒體聲稱「中國CPU晶片將實現彎道超車 中科院表示國產2nm晶片有望破冰」。鐵流認為,中科院這項技術突破值得慶賀,自川普卡脖子以來,國人確實也需要本土技術創新來鼓舞士氣,但一些報導有點捧得太高了。從產業發展角度看,應當穩紮穩打,不宜過度吹捧。

個別媒體報導比較「熱血」 但不太專業

在相關報導中,媒體稱:「目前最為先進的晶片製造技術為7nm+Euv工藝製程,比較出名的就是華為的麒麟990 5G晶片,內置了超過100億個電晶體。麒麟990首次將將5G Modem集成到SoC上,也是全球首款集成5G Soc,技術上的確實現了巨大突破,也是國產晶片里程碑式的意義。而繼華為之後,中科院研發出了2nm及以下工藝所需要的新型電晶體......中科院的這項研究成果意義很大,這種新型垂直納米環柵電晶體被視為2nm及以下工藝的主要技術候選,可能對國產晶片製造有巨大推動作用。如今在美國企業的逼迫下,國產企業推進自主可控已成為主流意識,市場空間將被進一步打開。相信在5年的時間內,在技術方面將實現全面突破」。

上述這段話看起來比較「熱血」,比較能鼓舞人心,但內容上卻不太專業。華為只是IC設計公司,就麒麟990來說,華為做的是SoC設計,CPU核為ARM的A76,GPU核為ARM的G76,工藝也是依靠台積電的7nm工藝,因而媒體報導中「繼華為之後,中科院研發出了2nm及以下工藝所需要的新型電晶體」這種說法是有問題的。華為掌握的是SoC設計,而非製造工藝。

中科院自主研發的疊層垂直納米環柵電晶體是實驗室技術,這類技術國外也有,早在2016年,就有媒體報導美國勞倫斯伯克利國家實驗室的一個團隊打破了物理極限,採用碳納米管複合材料將現有最精尖的電晶體製程縮減到了1nm。

2017年Max教授再次於《自然》雜誌發文提出單晶片上三維集成的計算和存儲模型,也是在這篇文章中產生了石墨烯製造的碳納米管3D晶片這一概念。Max教授表示:「與傳統電晶體相比,碳納米管體積更小,傳導性也更強,並且能夠支持快速開關,因此其性能和能耗表現也遠遠好於傳統矽材料」。

Max教授於《自然》雜誌發文提出單晶片上三維集成的計算和存儲模型

然而,時至今日,碳納米管依然只是PPT,根本就沒有進入工業界。甚至連Max教授都不再謀求通過碳納米管直接取代矽電晶體。原因就在於雖然碳納米管具有矽電晶體所不具備的更優良的力學、化學和電學性能,但是產量、良率、電路的抗干擾能力、速度都存在很大的劣勢。與造成的麻煩相比,碳納米管帶來的優勢不值一提。

2017年論文中的碳納米管3D晶片原理圖和顯微鏡剖面圖

對於這些實驗室技術,媒體不宜見風就是雨,技術從實驗室到工業界普及,有比較漫長的過程。而且實驗室中誕生的很多技術,在發展的過程中中途夭折的也不少,不乏像美國1nm碳納米管3D晶片的例子。中科院實驗室取得的技術突破成果固然喜人,但媒體不宜過度拔高,仿佛能靠這個技術用3至5年就徹底擺脫西方技術掣肘,國內企業能夠靠這個技術大躍進到2nm工藝。這種報導方式雖然「熱血」,但並不可取。

指望非傳統半導體材料和工藝彎道超車不切實際

當下,國內對於晶片有一種非常急迫的心情,領導很急、媒體很急、民眾很急,在這種急切的心態下,輿論上總有一種「大躍進」心態,仿佛依靠幾種新技術就能夠實現彎道超車,然後不懼怕川普卡脖子。

然而,這種彎道超車的思路是不切實際的。首先,新材料新工藝並非沒有,當下,桌面CPU、手機SoC等和老百姓接觸最廣的晶片普遍採用矽材料,這是第一代半導體材料。在技術上,半導體材料已經發展了3代,第二代材料以砷化鎵為代表,第三代材料以氮化鎵、碳化矽為代表。在明明能用第二代、第三代材料的情況下,為何還要依然使用矽材料呢?原因就是廉價好用,目前圍繞現有工藝構築的成熟產業生態,也限制了新材料、新工藝逆襲的可能性。既然矽材料已經能把性能做得不錯,而且廉價,那麼,為何要去用更加昂貴的材料呢?RF過去用過砷化鎵,但不少廠家又用回矽材料,原因也是性能夠用、廉價實惠。

工藝也是類似,事實上FinFET工藝與SOI工藝並非對立關係,兩者能夠互補,形成FinFET+SOI,比單獨使用FinFET工藝或SOI工藝效果更好,那麼,為何台積電、英特爾等廠家不這麼做呢?原因就在於FinFET已經很不錯了,而且廉價好用。

因此,將來即便出現了真正具有產業化潛力的新材料、新工藝,也未必會對現有的晶片材料和工藝造成革命,就如同自行車、汽車、高鐵、客機之間不是取代關係,而是互補關係。

另外,由於晶片設計和製造結合得非常緊密,貿然在材料和工藝上「突進」,也會帶來大問題。目前半導體製造中換個工藝或者製程,晶片的電路部分很可能就要重新設計。如果新工藝優化得不好或是晶片沒有根據新工藝做足夠的調整,新工藝流片的晶片性能和穩定性不如老工藝是完全有可能的。對於目前的晶片設計而言,半導體生產企業必須要把足夠多的參數和數據提前提供並不斷更新才能保證設計的正常進行,這一過程中需要做大量的實驗,花費巨額的資金,對於新工藝而言還有完全失敗的可能性。

同時隨著半導體製造企業出於保護技術秘密,降低設計企業開發成本等因素,往往還會提供給設計企業封裝好的工藝庫和工具箱,甚至於連設計用的IDE都必須由半導體製造企業定製。新工藝如果沒有足夠多的優點和可靠的財力支持很有可能倒在顛覆半導體製造方式的征程上。

正是因此,對於彎道超車不宜抱過大的期望。我們一方面不放棄對先進技術方向的探索,另一方面也要在傳統方向上一步一個腳印的追趕。

不久前,中芯國際表示,位於上海市浦東張江哈雷路的工廠已經開始量產14nm晶片,並開始研發12nm工藝。華虹集團總工程師趙宇航表示,集團14nmFinFET工藝全線貫通,SRAM良率超過25%,2020年將快速推進。

中芯國際14納米級晶片提前一年實現量產 截圖自《浦東時報》

2019年12月,武漢弘芯半導體舉行了首台高端光刻機設備進廠儀式。弘芯半導體製造產業園是2018年武漢單個最大投資項目,位於臨空港經濟技術開發區臨空港大道西側,規劃用地面積636畝,建築面積65萬平方米,總投資1280億元。弘芯的CEO是台積電元老蔣尚義,主攻方向是14nm工藝和射頻特種工藝。

相信在大陸三大晶圓廠的努力下,大陸掌握12/14nm工藝,只是時間問題。雖然在追趕台積電的道路上任重道遠,但大陸企業將鍥而不捨,負重前行。

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