造不出5nm光刻机，石墨烯芯片能帮我们弯道超车吗？

前几天，i奇趣儿的文章介绍了荷兰公司ASML发明5nm光刻机的历程。5nm光刻机来之不易，ASML耗时20年，华为芯片困局难解

当下，华为遭遇芯片困局，缺少的正是光刻机。

如果我们自研光刻机，需要攻克多个难题。

这个时候，我们不妨主动打破这个局面，换道超车。于是，有人想到了碳基芯片。

提到碳基芯片，必须要先说一下现在的硅基芯片。

当下的光刻机已经可以生产5nm工艺芯片，可是，这已经接近物理极限。

想要进一步突破，太难了，台积电3nm芯片最快也要到2022年才能量产。

虽然说ASML已经设计好了1nm的光刻机，可距离量产还有一段时间。

需要强调的是，在20nm以后，芯片漏电情况很严重。

华人科学家胡正明发明的FinFET技术，成功打破摩尔定律，使得芯片工艺才得以继续突破。

不过，胡正明教授认为，5nm左右就是物理极限，再往前进漏电状况会加剧，芯片能耗会加剧。

当下的5nm芯片，已经出现此类问题。比如高通骁龙888、苹果A14和华为海思麒麟9000，在功耗方面都有“翻车”的迹象。

台积电的2nm工艺，必须要继续改良，或许要用上GAAFET技术。

同时，受制于摩尔定律，硅基芯片是有终点的。

芯片是由晶体管组成的，晶体管的核心部件是COMS管。

COMS管的构造包括：源极、栅极和漏极。

我们提到的芯片工艺，7nm、5nm指的是栅极的最小线宽（可以理解为COMS管长度）。

芯片是通过纯净的硅制造而来，硅原子之间的距离大概是0.6nm。

举例说明，12nm的芯片沟道上，大约有20个硅原子。

而工艺误差和硅元素的不稳定性，会导致原子丢失（大数定律），这会影响芯片的实际性能表现。

这个时候，量子隧穿会导致漏电效应和短沟道效应。

通俗来说，芯片制程越先进，沟道越短，那么这种影响就会越大。

最终，晶体管数量没法再增加，摩尔定律失效。

从物理学和统计学角度来看，硅基芯片的终点一定会到来，极限在1nm左右。

我们刚提到的FinFET和GAAFET技术，可以改善栅极对电流的控制能力，从而提升了芯片工艺制程。

这种方法是有终点的。

所以呢，科学家正在想别的办法：寻找硅之外的新材料，比如石墨烯，以此为基础，打造碳基芯片。

碳基芯片有两个方向：“碳纳米管芯片”和“石墨烯芯片”。

北大在碳纳米管方向有所突破，已经研制出单片光电集成芯片。

中科院的团队已经制造出8英寸的石墨烯晶圆。

我们重点说石墨烯，与硅对比，石墨烯有这些亮点。

石墨烯是最薄的纳米材料，厚度只有0.335nm；它也足够硬，比钢铁的强度高200倍。

同时，石墨烯的导电性是硅的100倍，导热性比铜强10倍。

我们可以得出结论，石墨烯这种材料是可靠的。

石墨烯芯片可以做到1nm以下，同样的工艺制程，石墨烯芯片性能会更强，功耗会更低。

目前，中芯国际已经可以生产14nm芯片，假设我们可以量产石墨烯芯片。在当前的工艺条件下，石墨烯芯片的实际表现会超过台积电5nm芯片。

石墨烯芯片看来是个不错的方向呢，问题来了，制造这玩意难度大吗？

首先，我们要提炼纯净的石墨烯，这是难点之一。目前来看，成本相当高，提纯1克需要5000元。

其次，纯净的石墨烯没法做成逻辑电路，需要改良形态，或者加入新的材料，制造出有功能的结构，这是难点之二。

比如，我们提到过的碳纳米管芯片，原理是把石墨烯改造成碳纳米管，以此来充当半导体，石墨烯充当导电沟道。

现在的硅基芯片则不同，我们只需做提纯工作，地球上的硅元素太丰富了，成本也不高。纯净的硅晶片就是制造芯片的绝佳材料。

第三呢，碳基芯片或许不需要光刻机，直接在石墨烯晶圆上切片、刻蚀和注入离子。可是，碳基芯片的量产落地，肯定也需要用到类似光刻机的高精度设备。

解决以上问题，至少需要我们的科学家努力5-10年。

除此之外，还有其它的问题要解决吗？笔者认为肯定是有的。

可是，在硅基芯片终点即将到来的时候。利益集团为了巩固自己的红利，封锁华为。

这个时候，我们不得不自强，从其它方向突破。

笔者认为，碳基芯片是未来的一个方向。我们现在的努力，不管有没有结果，对未来都是有好处的。

首先，石墨烯是一种有用的材料，它不仅仅可以做芯片，还有更大的用处。

我们早一天行动，就多一分胜算。

现在我们说碳基芯片，说石墨烯，在很多人看来，可能只是一个笑话。

甚至有人调侃：“石墨烯最大的贡献是造就了无数的硕士、博士”。

毫无疑问，现在的石墨烯研究，还停留在理论水平。

可是，科技的发展进步需要一个过程，我们不能轻易放弃。

很多人都知道华为缺少光刻机，其实，华为设计芯片用的EDA软件也遭到了封锁。

当年，我们也有自己的芯片设计工具EDA熊猫系统。

1993年，EDA熊猫系统问世，1994年，国外巨头Cadence进入中国市场。随后，其它巨头也解除对我们的封锁，合力围剿熊猫EDA。

1982年，科学院109厂的KHA-75-1光刻机，与世界最先进的水平差距不到4年。

1985年，机电部45所研制的分步光刻机样机，与国际最高水平对比，差距不超过7年。

随后，我们开始引入外国设备，差距开始加大。

而外国巨头对我们的封堵也越发的丧心病狂。

2015年，上海微电子即将启动90nm光刻设备量产。《瓦森纳协议》马上解除限制，荷兰ASML的64nm光刻机进入中国市场。

套路很清晰，当我们有突破的时候，对方就取消封锁，用价格战来瓦解我们。

我们现在研究碳基芯片，国外的科学家也在努力，这是未来的方向。

在碳基芯片领域，道阻且长，我们有可能弯道超车。早一点行动，多一分努力，就有希望。

我们要做的就是正视差距，努力追赶，同时，更不能妄自菲薄，放弃自己的核心成果。