本篇文章2976字，读完约7分钟
应用了20多年的摩尔定律，近年来逐渐显示出失败的迹象。从芯片制造的角度来看，7纳米是硅片的物理极限。然而，据国外媒体报道，劳伦斯伯克利国家实验室的一个小组打破了物理极限，使用碳纳米管复合材料将目前最先进的晶体管工艺从14纳米降低到1纳米。那么，为什么我们说7纳米是硅片的物理极限，那么碳纳米管复合材料呢？面对美国的技术突破，中国应该怎么做？
图像信用:极端蚀刻
|xx纳米制造工艺的概念是什么？芯片的制造过程通常用90纳米、65纳米、40纳米、28纳米、22纳米和14纳米来表示。例如，英特尔最新的六代核心系列处理器采用了英特尔自己的14纳米制造工艺。今天的中央处理器集成了数十亿个晶体管，由源极、漏极和它们之间的栅极组成。电流从源极流向漏极，栅极控制电流的通断。
Xx nm实际上是指在cpu上形成的互补金属氧化物半导体场效应晶体管栅极的宽度，也称为栅极长度。
栅极长度越短，可以在相同尺寸的硅片上集成的晶体管就越多——英特尔曾经宣称，当栅极长度从130纳米减小到90纳米时，晶体管占据的面积将减少一半；在同等集成芯片晶体管的条件下，采用更先进的制造技术，芯片面积和功耗会更小，成本也会更低。
栅极长度可分为光刻栅极长度和实际栅极长度，由光刻技术决定。由于光刻中光的衍射现象以及离子注入、蚀刻、等离子体清洗、热处理等步骤。在芯片制造中，这将导致光刻栅极长度和实际栅极长度之间的不一致。此外，在相同的工艺技术下，实际的栅极长度会有所不同。例如，尽管三星也推出了采用14纳米工艺技术的芯片，但其芯片的实际栅极长度与采用14纳米工艺技术的英特尔芯片的实际栅极长度之间仍有一定差距。
为什么7纳米是物理极限？以前解释过缩短晶体管栅极长度可以使cpu集成更多的晶体管或有效地减少晶体管的面积和功耗，降低cpu硅片的成本。因此，中央处理器制造商不遗余力地减少晶体管的栅极宽度，以增加单位面积集成晶体管的数量。然而，这种做法也将缩短电子移动的距离，这将容易导致晶体管内部的电子通过晶体管沟道的硅底板从负电极到正电极的自发移动，即漏电。此外，随着芯片中晶体管数量的增加，原本只有几个原子层厚的二氧化硅绝缘层将变得更薄，这将导致更多电子的泄漏，然后泄漏电流将增加芯片的额外功耗。
为了解决漏电问题，英特尔、ibm等公司可谓八仙过海，展示了他们的神奇力量。例如，英特尔在其制造过程中集成了高介电薄膜和金属栅极集成电路，以解决泄漏问题；Ibm开发了soi技术——在源极和漏极掩埋一层铁电薄膜来解决泄漏问题；此外，还有鳍式场效应晶体管技术，它通过增加绝缘层的表面积来增加电容，并减少漏电流以防止电子跃迁......
当栅极长度大于7纳米时，上述方法可以在一定程度上有效解决漏电流问题。然而，基于现有的芯片材料，一旦晶体管的栅极长度小于7纳米，晶体管中的电子很容易产生隧穿效应，这给芯片制造带来了巨大的挑战。为了解决这个问题，寻找新材料代替硅来制造7纳米以下的晶体管是一个有效的解决方案。
| 1毫米工艺晶体管仍处于实验室阶段。碳纳米管与近年来非常流行的石墨烯有关。零维富勒烯、一维碳纳米管和二维石墨烯都属于碳纳米材料家族，它们在满足一定条件后可以转化为形态。碳纳米管是具有特殊结构的一维材料，其径向尺寸可以达到纳米级，轴向尺寸可以达到微米级。管子的两端通常是密封的，所以它有很大的强度，它巨大的长宽比有望使它成为韧性极好的碳纤维。
碳纳米管和石墨烯具有相似的电学和力学性能，并具有良好的导电性、力学性能和导热性，这使得碳纳米管复合材料在超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面具有良好的应用前景。此外，掺杂了一些改性剂的碳纳米管复合材料也引起了广泛的关注，如在石墨烯/碳纳米管复合电极上添加cdte量子点制作光电开关，以及掺杂金属粒子制作场发射器件。据国外媒体报道，劳伦斯伯克利国家实验室已经将目前最先进的晶体管工艺从14纳米降低到1纳米，其晶体管由掺杂二硫化钼的碳纳米管制成。然而，这一技术成果仅处于实验室技术突破阶段，目前还没有商业化大规模生产的能力。这项技术是否会成为未来的主流商业技术还有待时间检验。
技术进步不一定带来商业利益
在过去的几十年里，由于摩尔定律的作用，中国的半导体制造技术一直在追赶西方的过程中被外国拉了出来。然而，近年来，芯片制造技术放缓，摩尔定律失效，这是中国半导体行业赶超西方的一大优势。摩尔定律失败了，一方面，有技术因素——先进的光刻机、蚀刻机和其他设备，以及先进的芯片制造技术，这些都很难开发，需要很高的资本...另一方面，也有商业因素。
在制造过程达到28纳米之前，制造过程的每一个进展都可以使芯片制造商获得巨大的利润。然而，在制造工艺达到14/16纳米后，技术进步将增加芯片的成本——当英特尔首次开发14纳米制造工艺时，据报道掩模成本为3亿美元。当然，随着时间的推移，TSMC和三星掌握了14/16纳米工艺，目前的价格应该不会这么贵。然而，英特尔正在开发一种10纳米的工艺。根据英特尔的官方估计，面具成本至少需要10亿美元。一方面，新的制造工艺昂贵，因为其研发成本高，产量低；另一方面，这也是因为光刻机、蚀刻机和其他设备的价格非常昂贵。因此，即使先进的制造工艺在技术上已经成熟，客户在选择最先进的制造工艺之前也会三思，因为掩模成本过高。例如，如果10纳米制造工艺芯片的产量少于1000万片，光分配给每个芯片的掩模成本将高达100美元。根据国际上使用的低利润芯片设计公司的8: 20定价方法，即当硬件成本为8时，定价为20。不要认为这个价格很高，但是已经很低了。英特尔的一般定价策略是8: 35，历史上amd已经达到了8: 50...即使不包括芯片成本和封装测试成本，这款10纳米cpu的价格也不会低于250美元。与此同时，相对较少的客户将使巨大的产出难以分摊成本，并最终使企业减缓先进制造技术的开发和商业应用。因此，28纳米制造工艺被业内一些人认为是非常动态的，并将继续使用几年。
中国应该脚踏实地地解决实际问题。劳伦斯伯克利国家实验室已经将目前最先进的晶体管工艺从14纳米降低到1纳米，所以中国人不必太在意，因为这只是实验室的一个技术突破，至少可以说，这项技术已经成熟，可以商业化。因为它比英特尔正在开发的10纳米制造工艺更难商业化——它的成本太高，这将使这种技术生产的芯片价格居高不下，这反过来将导致选择这种技术的客户减少，这将导致恶性循环...考虑到商业因素，大多数集成电路设计公司仍将选择相对成熟或相对“旧”的制造工艺。
对于目前的中国半导体行业来说，与其花费巨大的人力、物力和财力去探索和突破7纳米的物理极限，不如利用有限的人力、物力和财力来完善28纳米工艺技术的ip库，实现14纳米制造技术的商业化大规模生产。毕竟，对于国防和安全领域来说，现有的制造工艺是完全足够的(美国的许多军用芯片仍然是65纳米)。对于商用芯片，许多芯片对工艺要求不高，如工业控制芯片、汽车电子、射频等。，这在一些硬件爱好者看似陈旧的过程中使用。对于个人电脑、手机和平板电脑的cpu和gpu而言，14纳米/16纳米制造工艺已经提高了性能和功耗。作者认为，与其花费大量资源开发新材料，突破7纳米的物理极限，不如脚踏实地地解决实际问题。
