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06-18
适用了20多年的摩尔定律，近年来逐渐显示出失效的迹象。
从芯片制造的角度来看，7nm是硅材料芯片的物理极限。
不过，据外媒报道，劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队突破了物理极限，利用碳纳米管复合材料，将现有最精密的晶体管工艺从14nm缩减到1nm。
那么，为什么说7nm是硅芯片的物理极限，而碳纳米管复合材料呢？面对美国的技术突破，中国该怎么办？图片来源：extremetch| XX纳米制造工艺是什么概念？芯片制造工艺常以90nm、65nm、40nm、28nm、22nm、14nm为代表。
例如，英特尔最新的第六代酷睿系列CPU就采用了英特尔自家的14纳米制造工艺。
今天的CPU集成了数亿个晶体管。
该晶体管由源极、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。
角色。
所谓XX纳米，实际上是指CPU上形成的互补氧化物金属半导体场效应晶体管的栅极宽度，也称为栅极长度。
栅极长度越短，相同尺寸的硅芯片上可以集成更多的晶体管——英特尔曾声称，当栅极长度从nm减小到90nm时，晶体管占用的面积将减少一半；在芯片晶体管集成度方面，同等情况下，采用更先进的制造工艺，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。
光刻栅极长度由光刻技术决定。
由于光刻中光的衍射现象以及芯片制造过程中的离子注入、刻蚀、等离子体冲洗、热处理等步骤，光刻栅极长度和实际栅极长度可能不一致。
另外，在相同的工艺技术下，实际的栅极长度也会有所不同。
例如，虽然三星也推出了采用14nm工艺技术的芯片，但其芯片的实际栅极长度与英特尔14nm工艺芯片仍有一定差距。
|为什么说7nm是物理极限？此前曾解释过，缩短晶体管栅极的长度可以使CPU集成更多的晶体管或者有效减少晶体管的面积和功耗，降低CPU的硅片成本。
为此，CPU制造商不遗余力地减小晶体管栅极的宽度，以增加单位面积上集成的晶体管数量。
但这种做法也会缩短电子移动的距离，很容易导致晶体管内部的电子自发地从负极通过晶体管沟道的硅底板流向正极，这就是漏电。
而且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会变得更薄，导致更多的电子泄漏。
随后的漏电流增加了芯片的额外功耗。
为了解决泄漏问题，英特尔、IBM等公司纷纷漂洋过海，各显神通。
例如，英特尔在其制造过程中集成了高介电薄膜和金属栅集成电路，以解决漏电问题； IBM开发了SOI技术——在源极和漏极上埋一层铁电薄膜，解决漏电问题；另外，还有鳍式场效应晶体管技术——通过增加绝缘层的表面积来增加电容值，减少漏电流以防止电子跃迁……当栅极长度大于7nm可以在一定程度上有效解决漏电问题。
然而，基于现有芯片材料的使用，一旦晶体管栅极长度低于7nm，晶体管中的电子很容易产生隧道效应，给芯片制造带来巨大挑战。
针对这一问题，寻找新材料替代硅来生产7nm以下晶体管是一个有效的解决方案。
| 1nm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一定的联系。
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，并且是相互排斥的。
它们在满足一定条件后可以发生形态变化。
碳纳米管是一种具有特殊结构的一维材料。
其径向尺寸可达纳米级，轴向尺寸为微米级。
管的两端一般是密封的，因此具有很大的强度和巨大的长径比，有望使制造具有优异韧性的碳纤维成为可能。
碳纳米管和石墨烯在电学和机械方面具有相似的性能，并且具有良好的导电性、机械性能和导热性，这使得碳纳米管复合材料广泛应用于超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测和燃料等领域。
在电池等方面具有良好的应用前景。
此外，掺杂一些改性剂的碳纳米管复合材料也受到广泛关注，如在石墨烯/碳纳米管复合电极中添加CdTe量子点制作光电开关，掺杂金属颗粒制作场致发射器件等。
此次外媒报道称，劳伦斯伯克利国家实验室已将目前最精密的晶体管工艺从14nm缩减至1nm。
其晶体管由掺杂二硫化钼的碳纳米管制成。
但该技术成果仅处于实验室技术突破阶段，目前尚不具备商业化量产的能力。
至于这项技术未来是否会成为主流商用技术，还有待时间的检验。
技术进步并不一定带来商业利益。
过去几十年，由于摩尔定律真正生效，中国的半导体制造技术在追赶西方的过程中始终被国外拉开。
近年来，芯片制造技术进步放缓，摩尔定律失效。
这对于中国半导体产业追赶西方来说是一大利好。
摩尔定律已经失败。
一方面有技术因素——先进的光刻机、刻蚀机等设备，以及先进的芯片制造技术，开发技术难度大，资金要求高……另一方面也有商业因素。
在制造工艺达到28nm之前，制造工艺的每一次改进都可以让芯片制造商获得巨额利润。
然而，制造工艺达到14/16nm后，技术进步实际上会增加芯片的成本——英特尔最初开发14nm制造工艺时，有消息称其掩模成本为3亿美元。
当然，随着时间的推移，台积电和三星掌握了14/16nm工艺，目前的价格应该不会这么贵。
但对于Intel正在开发的10nm工艺，根据Intel官方的预估，光罩成本将至少达到10亿美元。
新制造工艺之所以昂贵，一方面是新工艺研发成本高、良率低，另一方面是光刻机、刻蚀机等设备价格极其昂贵。
因此，即使先进的制造工艺在技术上已经成熟，但高昂的掩模成本也会让客户在选择采用最先进的制造工艺之前三思而后行。
例如，如果10nm制造工艺芯片的产量少于10,000个芯片，那么单独分配到每个芯片的掩模成本就高达美元。
按照国际上通行的低利润芯片设计公司的定价策略，8:20定价法——即当硬件成本为8时，价格为20，不要觉得这个价格高，事实上它是已经很低了。
Intel一般的定价策略是8:35，AMD历史上已经达到了8:50……即使不计算芯片成本和封测成本，这款10nm CPU的价格也不会低于美元。
与此同时，相对较少的客户数量将导致难以分摊大量成本，最终减缓先进制造工艺的开发和商业应用。
也正是因为这个原因，28nm制造工艺被一些业内人士认为非常有活力，并将持续使用数年。
|中国应该脚踏实地解决现实问题。
对于劳伦斯伯克利国家实验室将最精密的晶体管工艺从14纳米缩减到1纳米，国人无需太当真，因为这只是实验室的技术突破。
，即使退一步来说，这项技术已经成熟，可以商业化了。
由于其商业化远比英特尔正在开发的10nm制造工艺困难——其成本将高得令人望而却步，这将使使用该技术生产的芯片价格居高不下，进而导致选择该技术的客户减少，导致恶性循环……考虑到商业因素，大多数IC设计公司恐怕还是会选择相对成熟，或者说相对“相对”。
“旧”的制造工艺。
对于当前的中国半导体产业来说，与其花费巨大的人力、物力、财力去探索和突破7nm的物理极限，不如用有限的人力、物力、财力完善28nm工艺技术的IP库并实现14nm制造工艺的商业化量产。
毕竟对于国防安全领域来说，现有的制造工艺是完全足够的（美国很多军用芯片还是65nm）。
对于商用芯片来说，很多芯片对制造工艺的要求并不高，比如工控芯片、汽车电子、射频等都在使用一些对于一些硬件爱好者来说显得老旧的工艺。
对于PC、手机和平板电脑中的CPU和GPU来说，14nm/16nm制造工艺已经可以提高性能和功耗。
需求得到了很好的平衡。
笔者认为，与其花费大量资源开发新材料来突破7nm物理极限，不如脚踏实地解决实际问题。
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