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现在的芯片制程达到瓶颈后,还有什么可选的进化路线?


2016年甚至更早以前,业内大多人士推测,7纳米制程就会是硅芯片工艺的极限。不过从2017年初至今,半导体业者们又预期,7纳米制程之后,还可以有5纳米制程,甚至3纳米制程。台积电的创始人张忠谋在2017年面对媒体记者时说过,台积电今后会不会、能不能开发出2纳米制程工艺,需再等数年方可下定结论。实际上,5纳米制程和3纳米制程,也被英特尔纳入了自己的工艺研究计划中。目前,按照半导体行业业者及专家们的说法,3纳米制程很有可能才是硅基半导体工艺的极限,同时这意味着摩尔定律大概还可以在硅芯片工业中存活10年左右。

况且,近期有专业人士在网络上发布一篇文章称:“当硅芯片的尺寸小于5纳米时,就会产生量子隧穿效应,电子会自行穿越晶体管的栅极和源极通道,造成‘0’和‘1’的逻辑错误。一般地,电流是从源极流向漏极,栅极控制电流流动,栅极会根据施加的电压选择开或关。量子隧穿效应与晶体管所用材料的化学特性没有关系,只与芯片的大小有关。”

有研究学者就此认为,一旦半导体行业的制程演进到了硅芯片工艺的物理极限,人们首先要为此解决的应当是关于材料的问题。当前已被研究人员当作备选材料的,有石墨烯、真空管、碳纳米管和单晶复合氧化物等。除了这些备选材料外,研究人员在对芯片技术持续研究的过程中,取得了一些突破,如量子元胞自动机、单电子晶体管、纳米机电开关、隧道场效应晶体管和自旋场效应晶体管等。

1,石墨烯

近些年来,石墨烯已被媒体热炒了不知有多少次,自然亦为大众所熟知。石墨烯在当今世界中是最硬且最薄的材料,石墨烯的厚度相当于一个碳原子。某些科学家们预言,石墨烯在新工业革命中,会被人们当作核心材料(技术)加以研究和利用。在计算机芯片研究领域,来自美国麻省理工学院的研究人员指出,石墨烯因自身所具特殊的性质,可以降低光速,进而产生所谓的“光爆”现象。在光爆的过程中,石墨烯中的电子会释放出“等离子体激元”。研究人员便可利用该现象,研发出新型的光基电路。值得一提的是,传统的芯片是基于硅材料,芯片的结构为单层,中间是通过铜导线相互连接。当芯片之间的距离偏远,且传输的数据流量大时,则芯片的速率会变慢,能耗也会很高。石墨烯因自身呈六角形,为蜂巢晶格式的平面薄膜,有着非常好的传导性,可更快地传输数据,从而提高芯片传输数据的速率。

另外,荷兰代夫特理工大学的研究人员通过对石墨烯展开研究,发现石墨烯在光的作用下会发生振动。科学家依据该原理,能够检测到十分微小的位移和力度变化,据说精度达到了17飞米(1飞米大约是原子直径的万分之一)。于是,人们可以由此研制出石墨烯鼓面,在此基础上可开发出用于量子计算机的内存芯片。

2,真空管

有媒体报道过:美国加利佛尼亚理工学院纳米制造集团的主管阿克塞尔·谢雷尔,以及谢雷尔所带领的一直研究团队,计划研发一种新型真空管。该新型真空管的尺寸,大约是过去真空管的百万分之一。加之,真空管控制电流的方式不同于晶体管,硅基芯片的量子隧穿效应反而能为真空管所用,作为真空管芯片的电子开关。这种真空管芯片,速度更快,能耗更低。

3,碳纳米管

1991年,日本电镜学家饭岛博士发现了碳纳米管,由碳原子连接形成的六边形中空管状一维导体结构。碳纳米管的结构特殊,碳纳米管的径向尺寸为纳米级,轴向尺寸为微米级。碳纳米管因自身的特殊结构而有着极高的强度,可与金刚石相媲美。并且,碳纳米管的导电性超过铜质导线。再则,碳纳米管的热稳定性极佳,即使在2800摄氏度的真空环境中,仍能保持自身的性能稳定。于是,碳纳米管就有了被人们用于研制芯片的价值。

2016年下半年,美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员采用碳纳米管和二硫化钼,成功研制出了1纳米晶体管。研究人员据此得出,由碳纳米管制造而成的栅极,能有效控制电流,降低芯片的量子隧穿效应,确保芯片的新能稳定。

只是,以上所述,基本还处于实验室研究阶段……

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