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(2024-03-20 12:00:00)| 分类： 军事与科技 |
告别硅时代
石墨烯芯片如何重塑半导体
2024年03月08日
Sam
Altman为了实现AGI，打算筹资7万亿美元，集合全世界半导体产业链的力量，建立一个全球性的“芯片帝国”！
7万亿美元，相当于美国GDP的1/4。
现在全球的半导体产业链的格局大致是这样的：
1.设计环节（Design）：
-
美国：作为全球IC设计的主导者，拥有众多顶尖的芯片设计公司，如高通（Qualcomm）、英伟达（NVIDIA）、苹果（Apple）、AMD等。相当于设计环节的“将领”。
2.设备制造（Equipment）：
- 美国、日本、荷兰：这些国家提供关键的半导体制造设备，如光刻机、刻蚀机等。它们是设备制造环节的“守关将领”。
3.材料供应（Materials）：
日本和美国的企业如Shin-Etsu、Sumco、Dow
Chemical等占据主导地位，提供硅片、光刻胶等关键材料，它们是材料供应环节的“守关将领”。
4.晶圆制造（Manufacturing）：
-
台积电（TSMC）是全球最大的晶圆代工厂，占据超过60%的市场份额，是晶圆制造环节的“将领”。此外，三星（Samsung）也是这一环节的重要参与者。
5.封装测试（OSAT - Outsourced Semiconductor Assembly and
Test）：
- 中国大陆：长电科技（JCET）、华天科技（Hua
Tian）等企业在封装测试领域具有较强的竞争力，是这一环节的“将领”。
除中国外，掌握着半导体命脉的企业和国家，大部分都是属于或偏向于西方阵营的。所以Sam
Altman建立“芯片帝国”的计划，本质上仍是美国“芯片联盟”的一个翻版。
【1】石墨烯的突围
今年1月3日，天津大学与美国佐治亚理工学院合作，在碳化硅上首次用石墨烯合成一种功能半导体。其研究结果已经登上了《Nature》。
石墨烯成为一种半导体，这种开创性成就，可以让“摩尔定律”再续命数十年！
石墨烯半导体诞生前，想要让芯片更“快”，就得提高频率。这涉及到一个概念——电子迁移率。就是电子在半导体材料中移动的速度。
电子就像在赛道上奔跑的运动员，电子迁移率就是运动员在给定时间内能跑多远的能力。
电子迁移率高，电子跑得快，在同样的时间内能传递更多的信息，即数据处理速度更快。
在半导体中，还有一个叫空穴迁移率的东西。
硅材料，如果电子迁移率高出空穴迁移率太多，会导致电路的整体性能不均衡，影响响应速度和效率。
就像接力赛跑，A运动员（电子）跑得快，B运动员（空穴）跑得慢，交接棒时就会出问题。
所以，硅半导体中要掺入一些特定的原子，改变其电学性质，让电子迁移率“等一等”空穴迁移率。
硅的电子迁移率在1400 cm²/(V*s)左右，空穴迁移率则是450
cm²/(V*s)。这样的高低差是硅材料本身决定的，
掺杂优化很难突破一个固定的比例（大约是2到3:1）。
石墨烯的电子迁移率和空穴迁移率是相等的！可以将电子迁移率的速度发挥到极致。这为开发新一代高速、高效电子器件提供了巨大的潜力。
【2】带隙之困
这种特性将产生两大奇效，一个是“快”，再一个就是“省”。
电路的数据处理能力更强，电子设备的性能更高。
对于AI训练来说，石墨烯芯片可更快地完成训练。
另一大优势是运低功耗。
电子在晶体管中的运动速度越快，通过晶格缺陷、杂质或其他障碍物（散射源）时的时间就越短，电阻和能量损耗就越低。
石墨烯芯片在不显著增加能源消耗的情况下，计算能力大增，支持更复杂的AI模型。
但石墨烯芯片还有一个门槛需要跨越，就是带隙。
半导体材料有两个主要的能带：价带和导带。带隙就是价带顶部和导带底部之间的能量差距。
改变带隙的大小，可改变材料的导电性质。
半导体中的电流就像河流，带隙就是控制水流的闸门。
打开水闸，水流（电子）通过，半导体进入导电状态。反之则是截止状态。
可石墨烯没有带隙，其晶格是蜂窝状的结构，电子可以随意进出，人们很难控制它导电、截止。石墨烯只能成为导体，很难成为半导体。
【3】半导体新时代
既然石墨烯没有带隙，就让它从别的物质那里“借”来带隙。
这个被选中的物质，就是碳化硅（SiC）。
首先要让石墨烯“长”在碳化硅上。
研究人员采用了一种特殊的方法：准平衡退火。使石墨烯层的电子状态与SiC表面的电子状态发生耦合，在石墨烯中引入了带隙。
具有半导体性质的石墨烯就诞生了。
这技术一旦普及，就等于革了硅基半导体的命。
当前的硅基半导体，已经快走到头了。
晶体管尺寸接近原子级别，量子隧穿效应和热管理问题开始显现，限制了硅基晶体管的进一步缩小和性能提升。
石墨烯芯片，以一种更加高效和稳定的方式控制电子，从而在微观尺度上减少了量子隧穿效应的影响。
石墨烯半导体的高效散热能力让服务器几乎不需要额外的冷却系统。
因为石墨烯半导体的高电子迁移率，让数据处理速度达到前所未有的水平。
【4】炒作or机遇？
现在就让石墨烯芯片一举战胜硅基芯片，技术成熟度和制备成本的拦路虎还挡在那里。
别的半导体材料（比如硅），像一块厚实的豆腐，有好多层原子。石墨烯就像保鲜膜，只有一层碳原子，这种结构在半导体材料中相当罕见。
只有当石墨烯的原子层仅有一层时，它的性能才最好。
所以，得想方设法，保证每一片都是单层的。
这就须要高精度的技术和工艺，比如特定的转移或生长技术。
凡与“精细”相关，成本都低不了。
就目前来说，制备石墨烯的主要途径是化学气相沉积（CVD）法，这种方式，制备昂贵，成品率低，难以量产。还有很艰难的攻关之路
另外，石墨烯的最终目标，也许并不是完全替代硅，而是创造出自己的一条路。就像碳化硅和氮化镓一样。
碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）这些材料，在特定的应用领域（如高频、高功率电子器件）中展现出了比硅更好的性能。提供硅难以企及的差异化优势。
而这些特异的领域之一，就包括人工智能。
石墨烯的高电子迁移率的特点，使其在在制造高速、低功耗的晶体管方面具有巨大优势。这正是人工智能、大数据分析和云计算的关键“命门”。
在全球碳中和的背景下，能源转型已经成为了一种国家战略。
以国家力量推动技术转型的策略，在今天的人工智能方面，也同样适用。
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