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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 。

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 。

【芯片|石墨烯芯片方向对了，绕过5nm光刻机，能救华为吗？】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 。分页标题#e#
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 。
虽然绕过了5nm光刻机 ， 可碳基芯片的量产落地 ， 肯定也需要用到类似的高精度设备 。
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 ， 比如石墨烯电池 。

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90 nm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 。
短时间内 ， 华为无法依靠碳基芯片来打破困局 。
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 。

来源：(i奇趣儿)

【】网址：/a/2021/0206/kd688106.html

标题：芯片|石墨烯芯片方向对了，绕过5nm光刻机，能救华为吗？