老版南方双彩2024-突破制程工艺：为什么说7nm是物理极限，美国的1nm是什么概念？

限于了20余年的摩尔定律近年渐渐有了失灵的迹象。从芯片的生产来看，7nm就是硅材料芯片的物理无限大。不过据外媒报导，劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队超越了物理无限大，使用碳纳米管复合材料将现有最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm。

那么，为何说道7nm就是硅材料芯片的物理无限大，碳纳米管复合材料又是怎么一其实呢？面临美国的技术突破，中国应当怎么做呢？image credit：extremetch|XX nm生产工艺是什么概念？芯片的生产工艺经常用90nm、65nm、40nm、28nm、22nm、14nm来回应，比如Intel近期的六代酷睿系列CPU就使用Intel自家的14nm生产工艺。现在的CPU内构建了以亿为单位的晶体管，这种晶体管由源近于、漏极和坐落于他们之间的栅极所构成，电流从源近于流向漏极，栅极则起着掌控电流通折断的起到。而所谓的XX nm只不过所指的是，CPU的上构成的有序氧化物金属半导体场效应晶体管栅极的宽度，也被称作栅长。栅长越高，则可以在完全相同尺寸的硅片上构建更好的晶体管——Intel曾多次声称将栅长从130nm增大到90nm时，晶体管所占到得面积将增大一半；在芯片晶体管集成度非常的情况下，用于更加先进设备的生产工艺，芯片的面积和功耗就就越小，成本也就越较低。

栅长可以分成光刻栅长和实际栅长，光刻栅长则是由光刻技术所要求的。由于在光刻中光不存在散射现象以及芯片生产中还要经历离子注入、转印、等离子冲洗、热处理等步骤，因此不会造成光刻栅长和实际栅长不完全一致的情况。

另外，某种程度的制程工艺下，实际栅长也不会不一样，比如虽然三星也发售了14nm制程工艺的芯片，但其芯片的实际栅长和Intel的14nm制程芯片的实际栅长仍然有一定差距。| 为什么说道7nm是物理无限大？之前说明了延长晶体管栅极的长度可以使CPU构建更好的晶体管或者有效地增加晶体管的面积和功耗，并缩减CPU的硅片成本。正是因此，CPU生产厂商不遗余力地增大晶体管栅极宽度，以提升在单位面积上所构建的晶体管数量。不过这种作法也不会使电子移动的距离延长，更容易造成晶体管内部电子自发性通过晶体管地下通道的硅底板展开的从负极流向负极的运动，也就是漏电。

而且随着芯片中晶体管数量减少，原本仅有数个原子层薄的二氧化硅绝缘层不会显得更加厚进而造成外泄更加多电子，随后外泄的电流又减少了芯片额外的功耗。为了解决问题漏电问题，Intel、IBM等公司堪称八仙过海，各显神通。比如Intel在其生产工艺中融合了高介电薄膜和金属门集成电路以解决问题漏电问题；IBM研发出有SOI技术——在在源极和漏极祸根一层强劲电介质膜来解决问题漏电问题；此外，还有鳍式场效电晶体技术——借由减少绝缘层的表面积来减少电容值，减少溢电流以超过避免再次发生电子光子的目的......上述作法在栅长大于7nm的时候一定程度上能有效地解决问题漏电问题。不过，在使用现有芯片材料的基础上，晶体管栅长一旦高于7nm，晶体管中的电子就很更容易产生隧穿着效应，为芯片的生产带给极大的挑战。

针对这一问题，找寻新的材料来替代硅制作7nm以下的晶体管则是一个有效地的解决问题之法。| 1nm制程晶体管还正处于正处于实验室阶段碳纳米管和近年来十分疯狂的石墨烯有一定联系，零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯都归属于碳纳米材料家族，并且彼此之间符合一定条件后可以在形式上转化成。

碳纳米管是一种具备类似结构的一维材料，它的径向尺寸可超过纳米级，轴向尺寸为微米级，管的两端一般都封口，因此它有相当大的强度，同时极大的长径比未来将会使其制作成韧性极佳的碳纤维。碳纳米管和石墨烯在电学和力学等方面具有相近的性质，有较好的导电性、力学性能和导热性，这使碳纳米管复合材料在超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面具有较好的应用于前景。此外，掺入一些改性剂的碳纳米管复合材料也受到人们的普遍注目，例如在石墨烯/碳纳米管填充电极上加到CdTe量子点制作光电开关、掺入金属颗粒制作场致发射装置。

本次外媒报导的劳伦斯伯克利国家实验室将现有最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm，其晶体管就是由碳纳米管掺入二硫化钼制作而出。不过这一技术成果意味着正处于实验室技术突破的阶段，目前还没商业化量产的能力。

至于该项技术将来否不会沦为主流商用技术，还有待时间检验。技术变革不一定带给商业利益在过去几十年中，由于摩尔定律在显然发挥作用，使中国半导体生产技术在追上西方的过程中一直被国外纳出有一段距离。而近年来，芯片生产技术变革减慢，摩尔定律经常出现过热的客观现象，对于中国半导体产业追上西方来说是众多受到影响。摩尔定律过热，一方面既有技术因素——先进设备光刻机、光刻机等设备以及先进设备芯片生产技术研发技术难度大、资金拒绝低......另一方面也有商业上的因素。

在生产工艺抵达28nm以前，生产工艺的每一次变革都能使芯片制造厂商取得巨额利润。不过，在生产工艺超过14/16nm之后，技术的变革反而不会使芯片的成本有所下降——在Intel年所研发出有14nm生产工艺时，曾有消息称之为其掩膜成本为3亿美元。当然，随着时间的流逝和台积电、三星掌控14/16nm制程，现在的价格应当会这么喜。但英特尔正在研发的10nm制程，根据Intel官方估计，掩膜成本最少必须10亿美元。

新的生产工艺之所以喜，一方面是贵在新工艺高昂的研发成本和偏高的成品率，另一方面也是因为光刻机、光刻机等设备的价格出现异常便宜。因此，即便先进设备生产工艺在技术上成熟期了，但由于过分高昂的掩膜成本，不会使客户在自由选择使用最先进设备生产工艺时三思而后行，举例来说，如果10nm生产工艺芯片的产量高于1000万片，那么光分摊到每一片芯片上的掩膜成本就低约100美元，按国际标准化的较低盈利芯片设计公司的定价策略8：20定价法——也就是硬件成本为8的情况下，定价为20，别实在这个定价低，只不过早已很低了，Intel一般定价策略为8：35，AMD历史上曾超过过8：50......即便远比晶片成本和封测成本，这款10nm CPU的售价也会高于250美元。

同时，比较较较少的客户不会造成很难用极大的产量分摊成本，并最后使企业上升对先进设备生产工艺的研发和商业应用于。也正是因此，28nm生产工艺被部分业内人士指出是十分有活力的，而且依旧会被持续用于数年。| 中国不应脚踏实地解决问题现实问题对于劳伦斯伯克利国家实验室将现有最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm，国人不用将其看得太重，因为这意味着是一项在实验室中的技术突破，哪怕退一步说，该项技术早已成熟期且可以商业化，由于其在商业化上的可玩性相比之下小于Intel正在研发的10nm生产工艺——其成本将高昂地无以复加，这不会使使用该技术生产的芯片价格居高不下，这又不会造成较较少客户自由选择该项技术，进而恶性循环......从商业因素考虑到，大部分IC设计公司难道依旧会自由选择比较成熟期，或者称作比较“老旧”的生产工艺。

对于现在的中国半导体产业而言，与其花费极大人力物力财力去探寻突破7nm物理无限大，还不如将受限的人力物力财力用作完备28nm制程工艺的IP库和构建14nm生产工艺的商业化量产。却是，对于国防安全性领域而言，现有的生产工艺已几乎够用（美国的很多军用芯片都还是65nm的），对于商业芯片而言，很多芯片对制程的拒绝并不低，像工控芯片、汽车电子、射频等都在用于在一些硬件发烧友看上去变得老旧的制程，而对于PC和手机、平板电脑的CPU、GPU而言，14nm/16nm的生产工艺早已能将性能和功耗方面的市场需求均衡的很好。笔者指出，相对于花费大量资源去研发新材料突破7nm物理无限大，还不如脚踏实地地解决问题现实问题。

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