半金屬鉍(Bi)的出現(xiàn),憑借著能大幅降低電阻并提升電流的能力,給二維材料替代硅帶來了希望。而臺(tái)積電成功領(lǐng)先IBM與三星,搶占了1nm制程的先機(jī)。

先進(jìn)制程大戰(zhàn)你追我趕

雖然摩爾定律已經(jīng)接近物理極限,但半導(dǎo)體業(yè)界對(duì)于更先進(jìn)工藝制程的研究從未停止,比如臺(tái)積電、三星、IBM等行業(yè)巨頭,已經(jīng)在3nm及以下工藝上取得了突破。

5月6日晚間,IBM正式官宣了全球首款采用2nm工藝的芯片。

雖然目前IBM的2nm工藝還處于實(shí)驗(yàn)室階段,但這意味著,在全球半導(dǎo)體企業(yè)的制程大戰(zhàn)中,IBM取得了領(lǐng)先。

不過,IBM的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)只維持了短短幾天,全球代工巨頭臺(tái)積電便官宣了最新的研發(fā)進(jìn)展。

與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手三星、英特爾相比,臺(tái)積電的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)無疑將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上,進(jìn)一步擴(kuò)大。按照臺(tái)積電的說法,其3nm工藝將在今年年底進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)。

除了3nm,臺(tái)積電此前曾明確表示過,2nm工藝也將按計(jì)劃時(shí)間表推出。

作為全球最大的代工廠,臺(tái)積電無論在研發(fā)水平亦或是資金實(shí)力方面,都具有對(duì)手們無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)臺(tái)積電正在朝著物理極限不斷挑戰(zhàn)之時(shí),老對(duì)手三星不僅在7nm、5nm時(shí)代均處于下風(fēng),在3nm工藝上獨(dú)辟蹊徑采用的納米片晶體管技術(shù),也遭到不少質(zhì)疑。

三星將在今年6月份展開4nm和3nm的風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn),如果此消息為真,三星或許具備與臺(tái)積電一戰(zhàn)的實(shí)力。

而另一對(duì)手英特爾則還在艱難擠牙膏中。目前,英特爾還卡在7nm工藝遲遲無法突破,想要追趕臺(tái)積電和三星,已然十分困難。

臺(tái)積電突破1nm芯片領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手

5月18日,美國(guó)《自然》雜志公布了由臺(tái)積電、臺(tái)灣大學(xué)與麻省理工學(xué)院共同研發(fā)的半導(dǎo)體新材料——鉍(Bi),有望成為突破摩爾定律1nm極限的新材料。

此次由臺(tái)積電與臺(tái)大、麻省理工學(xué)院共同發(fā)表的研究成果,首先由麻省理工團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在二維材料上搭配半金屬鉍(Bi)的電極,能大幅降低電阻并提高傳輸電流。

隨后臺(tái)積電技術(shù)研究部門將鉍(Bi)沉積制程進(jìn)行優(yōu)化,臺(tái)大團(tuán)隊(duì)并運(yùn)用氦離子束微影系統(tǒng)將元件通道成功縮小至 nm 尺寸,最終取得了這項(xiàng)突破性的研究成果。

由上述三方研發(fā)的這項(xiàng)研究成果已在《Nature》期刊上發(fā)布,首度提出利用半金屬鉍(Bi)作為二維材料的接觸電極,可大幅降低電阻并提高電流,使其效能幾與硅一致,有助實(shí)現(xiàn)未來半導(dǎo)體1nm的制程。

臺(tái)積電的這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn):二維材料結(jié)合半金屬鉍能達(dá)到極低的電阻,接近量子極限,可以進(jìn)一步縮小器件尺寸并擴(kuò)展摩爾定律,有助于實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體 1nm 以下的艱巨挑戰(zhàn)。

當(dāng)前芯片的主流材料是硅,而目前半導(dǎo)體主流制程發(fā)展到了5納米和3納米節(jié)點(diǎn),芯片單位面積,所能容納的晶體管數(shù)目,已經(jīng)逼近了硅這種材料的物理極限,芯片性能想要繼續(xù)按照摩爾定律逐年提升,已經(jīng)變得越來越不可能。

但是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)還需要繼續(xù)發(fā)展,所以近些年來,科學(xué)界一直在試圖尋找能夠取代硅的新材料,使得芯片能夠在1納米制程以下繼續(xù)發(fā)展,但是二維材料的高電阻、低電流的情況始終難以解決,而臺(tái)積電這項(xiàng)研究結(jié)果就是芯片新材料的一個(gè)突破。

這一旦成為現(xiàn)實(shí),此前所謂的摩爾定律極限就要達(dá)成了。而要想提升芯片制程到1納米,這需要全方位的配合,特別是芯片半導(dǎo)體材料的使用。

先進(jìn)技術(shù)背后尷尬的真相

不管是IBM的2nm芯片技術(shù)還是臺(tái)積電的1nm芯片技術(shù),更先進(jìn)的工藝帶來的則是更強(qiáng)的性能,這確實(shí)讓消費(fèi)者所期待。

但我們目前需要的并不是這些2nm、1nm芯片技術(shù)的發(fā)布或量產(chǎn),不管是IBM還是臺(tái)積電,先進(jìn)工藝的發(fā)布,只是為了證明其在半導(dǎo)體領(lǐng)域的地位。

而我國(guó)的發(fā)展策略是,未全力向5nm進(jìn)軍,反而更成熟的14nm、28nm才是最重要的,因?yàn)檫@些成熟的工藝在市場(chǎng)中的占比達(dá)到了90%。

這也是為什么當(dāng)全球陷入芯片緊缺,臺(tái)積電卻在大陸擴(kuò)產(chǎn)28nm工藝生產(chǎn)線的原因,因?yàn)樾枨罅烤薮蟮?8nm市場(chǎng)才是各大企業(yè)未來幾年的主戰(zhàn)場(chǎng)。

美國(guó)的2nm芯片技術(shù),臺(tái)積電的1nm技術(shù),我國(guó)不必去跨步追趕,而是要穩(wěn)步發(fā)展,在成熟的工藝方面扎穩(wěn)腳跟之后,再到先進(jìn)的工藝領(lǐng)域?qū)ふ倚峦黄瓶?同時(shí)也不必因?yàn)楣に嚶浜蠖鴣y陣腳,即便是7nm,在未來10多年里也有著很大的市場(chǎng)空間。

結(jié)尾:

摩爾定律達(dá)到極限之時(shí),需要采用全新的技術(shù)或材料,以往的市場(chǎng)格局有望被打破,臺(tái)積電、三星等芯片代工巨頭們將站到新的起跑線上,進(jìn)行重新競(jìng)賽。

部分資料參考:數(shù)碼密探:《臺(tái)積電突破1nm芯片,中國(guó)卻掌握原材料的命脈,儲(chǔ)量占全球75%》,數(shù)碼扒一扒:《1nm重大突破!臺(tái)積電公布新武器,三星、英特爾望塵莫及》