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來源：觀察者網(wǎng)專欄作者 余鵬鯤 根據(jù)科技日報的消息，4月10日記者從武漢光電國家研究中心獲悉，該中心甘棕松團隊采用二束激光在自研的光刻膠上突破了光束衍射極限的限制，采用遠場光學(xué)的辦法，光刻出最小9納米線寬的線段，實現(xiàn)了從超分辨成像到超衍射極限光刻制造的重大創(chuàng)新。 
（甘棕松團隊研制的9nm線寬雙光束超衍射極限光刻試驗樣機） 該樣機實現(xiàn)了材料，軟件和零部件等三個方面的國產(chǎn)化，實現(xiàn)了微納三維器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造軟件一體化，可無人值守智能制造。同時通過合作實現(xiàn)了樣機系統(tǒng)關(guān)鍵零部件包括飛秒激光器、聚焦物鏡等的國產(chǎn)化，在整機設(shè)備上驗證了國產(chǎn)零部件具有甚至超越國外同類產(chǎn)品的性能。甘棕松說，最關(guān)鍵的是，我們打破了三維微納光制造的國外技術(shù)壟斷，在這個領(lǐng)域，從材料、軟件到光機電零部件，我們都將不再受制于人。 9nm、光刻試驗樣機、國產(chǎn)化、超越國外產(chǎn)品性能、打破國外技術(shù)壟斷等字眼很難不讓人聯(lián)想到到一直對中國大陸封鎖的光刻機。距離去年4月美國商務(wù)部激活對中興通訊的拒絕令已經(jīng)過去整整一年了，中國缺少高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品的問題卻越來越受到廣泛的關(guān)注。 光刻機作為半導(dǎo)體生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)最重要的核心部件，其關(guān)鍵技術(shù)一直被荷蘭ASML公司壟斷，并被西方限制向中國大陸出口。不能獲得最先進的光刻機是境內(nèi)半導(dǎo)體工藝制程始終比境外落后1-2代甚至3代的主要原因。 歸根結(jié)底，人們要問這臺商業(yè)化、國產(chǎn)化都很充分的光刻試驗樣機短時間內(nèi)用于高等級集成電路生產(chǎn)的可能嗎？有可能替代進口的光刻機嗎？能解決中國計算機產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在面臨“缺芯少魂”的尷尬嗎？ 很遺憾，幾乎所有媒體報道國產(chǎn)光刻試驗樣機問世時都會提到光刻機和芯片制造。但所有官方消息都會指出這是超衍射極限光刻試驗樣機，主要解決的是微納三維器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造的問題。 也就是說這臺樣機不是一般意義上的光刻機，短時間內(nèi)也無法用于高等級集成電路芯片的生產(chǎn)。 事實上這并不是一個特例，每年國內(nèi)外都會涌現(xiàn)一批生產(chǎn)芯片的新材料、新工藝。這些新材料、新工藝如果不能與現(xiàn)有的材料和工藝緊密的結(jié)合一般最終都不能用于生產(chǎn)通用性強的高等級半導(dǎo)體芯片。對中國而言，盡管這些進步都將在各自領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，但對于解決“缺芯”問題幫助不大。 新材料、新工藝局部具有突出優(yōu)勢，但局限也很大 從原理角度講，能夠支持納米級別加工的材料、工藝數(shù)量著實不少，而且還在不斷地增加。其中又有為數(shù)不少的材料和工藝能夠用于加工電路。在舊有工藝的局限性不斷暴露，集成電路制程更新乏力的大背景下，只要提出或者改進一下這些工藝或者材料，就會被認為具有替代現(xiàn)有的工藝可能或者重大技術(shù)突破而被廣泛關(guān)注。 在過去的一年中，比較有名的就有美國國防高級研究計劃局投資石墨烯3D芯片以及國產(chǎn)“超分辨光刻裝備項目”等報道。 這些新材料、新工藝相比目前的硅半導(dǎo)體和光刻而言，在某些方面具有突出的優(yōu)勢，但是總得來說還是局限更大，只能用于生產(chǎn)特殊芯片而非通用的高等級集成電路芯片。 去年美國國防高級研究計劃局給麻省理工學(xué)院Max Shulaker團隊資助了6100萬美元用于利用石墨烯材料制作碳納米晶體管，并構(gòu)造出3D芯片來。Max教授早在斯坦福大學(xué)就讀博士時就開發(fā)出了世界上第一臺基于碳納米晶體管技術(shù)的計算機，并將成果公布在著名的《自然》雜志上。 2017年Max教授再次于《自然》雜志發(fā)文提出單芯片上三維集成的計算和存儲模型，也是在這篇文章中產(chǎn)生了石墨烯制造的碳納米管3D芯片這一概念。
（2017年論文中的碳納米管3D芯片原理圖和顯微鏡剖面圖） 用Max教授的話說：“與傳統(tǒng)晶體管相比，碳納米管體積更小，傳導(dǎo)性也更強，并且能夠支持快速開關(guān)，因此其性能和能耗表現(xiàn)也遠遠好于傳統(tǒng)硅材料”。但是經(jīng)過數(shù)年的研究，到2017年Max教授不再謀求通過碳納米管直接取代硅晶體管。 2017年的研究中所謂的碳納米管3D芯片中計算、儲存、緩存都是由硅晶體管構(gòu)成的。只有負責(zé)實驗樣品蒸汽數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理的部分是碳納米晶體管構(gòu)建的。換言之，碳納米管3D芯片更像是集成了碳納米管氣體傳感器的普通芯片，只是集成度稍高而已。 目前碳納米管具有硅晶體管所不具備的更優(yōu)良的力學(xué)、化學(xué)和電學(xué)性能，但是另一方面產(chǎn)量、良率、電路的抗干擾能力、速度都存在很大的劣勢。與造成的麻煩相比，石墨烯帶來的優(yōu)勢不止一提。很可能只能繼續(xù)用于為處理芯片集成各種各樣的集成傳感器。 過去一年中一個關(guān)于半導(dǎo)體制造新工藝的是去年12月1日，《解放軍報》報道了中科院光電所可加工22nm芯片的“‘超分辨光刻裝備項目’通過國家驗收”。 此次自主光刻設(shè)備由于采用了表面等離子體技術(shù)，使得光源的波長與線寬之比大大提高。由激光直寫、激光干涉等技術(shù)的2-4：1提升至現(xiàn)有的17：1。這意味著用該自主光刻設(shè)備生產(chǎn)半導(dǎo)體的光源成本將大大降低，同時還將繞過西方發(fā)達國家在半導(dǎo)體領(lǐng)域經(jīng)營數(shù)十年的專利壁壘，并且新技術(shù)還有較大的潛力可以挖掘。 該光刻設(shè)備的面世，填補了相關(guān)技術(shù)的空白，取得了一定的應(yīng)用，達到了相當?shù)乃健Ｍ瑫r也應(yīng)該看到，目前這種工藝存在技術(shù)應(yīng)用還不太成熟，還無法加工像主流PC電腦CPU和顯卡一樣的復(fù)雜部件。 該項目的副總設(shè)計師胡松在接受央視13頻道的《午夜新聞欄目》采訪時說到該設(shè)備可以加工十毫米乘十毫米范圍的芯片。這已經(jīng)包括了幾乎所有手機SoC（例如麒麟970、蘋果A11芯片）能達到的大小。已經(jīng)是非常不錯的結(jié)果，不過顯然還有進步的空間。
（該項目副總設(shè)計師披露的設(shè)備性能情況） 總之，利用新材料、新工藝往往能夠得到某些突出的優(yōu)勢，但同時也存在著各種各樣的局限。 新形勢下非傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料和工藝逆襲的難度越來越大 除了新材料和新工藝存在的局限之外，目前圍繞現(xiàn)有工藝構(gòu)筑的成熟生態(tài)也限制了新材料、新工藝逆襲的可能性。 試想一下，如果如果武漢光電國家研究中心此次研究得是真的可以用于制造高端通用芯片的新工藝光刻機。就真的能很快生產(chǎn)出這樣的芯片嗎？ 隨著半導(dǎo)體芯片制造的制程越來越小，人類遇到了越來越多的新問題，半導(dǎo)體工藝與設(shè)計之間的關(guān)系也越來越緊密。目前半導(dǎo)體制造中換個工藝或者制程，芯片的電路部分很可能就要重新設(shè)計。如果新制程工藝優(yōu)化得不好或是芯片沒有根據(jù)新工藝做足夠的調(diào)整，新工藝流片的芯片性能和穩(wěn)定性不如老工藝是完全有可能的。 英特爾在2007年宣布了著名的“嘀嗒”(Tick-Tock)戰(zhàn)略模式，“Tick-Tock”的名稱源于時鐘秒針行走時所發(fā)出的聲響。一般一次“Tick-Tock”的周期為兩年，“Tick”占一年，“Tock”占一年。Tick年（工藝年）更新制作工藝，Tock年（架構(gòu)年）更新微架構(gòu)。 但是2016年，英特爾打破了自己定下的這一戰(zhàn)略，將這一戰(zhàn)略修改為“制程-架構(gòu)-優(yōu)化”(PAO)的三步走戰(zhàn)略。
（英特爾原本的“兩步走”戰(zhàn)略放緩到“三步走”） 英特爾之所以做出這樣的改變，原因是多種多樣的，既有合理化10nm難產(chǎn)、追求更高利潤率的原因。另一方面，現(xiàn)有工藝與設(shè)計的耦合性越來越強恐怕也是很重要的原因。 要保證隨著制程的提高性能一代更比一代強，恐怕確實需要多一年的時間來進行這樣的優(yōu)化。 對于目前的芯片設(shè)計而言，半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)必須要把足夠多的參數(shù)和數(shù)據(jù)提前提供并不斷更新才能保證設(shè)計的正常進行，這一過程中需要做大量的實驗，花費巨額的資金，對于新工藝而言還有完全失敗的可能性。 同時隨著半導(dǎo)體制造企業(yè)出于保護技術(shù)秘密，降低設(shè)計企業(yè)開發(fā)成本等因素，往往還會提供給設(shè)計企業(yè)封裝好的工藝庫和工具箱，甚至于連設(shè)計用的IDE都必須由半導(dǎo)體制造企業(yè)定制。新工藝如果沒有足夠多的優(yōu)點和可靠的財力支持很有可能倒在顛覆半導(dǎo)體制造方式的征程上。 因此，筆者不看好非傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料或是工藝的進步能夠改變目前我國“缺芯少魂”的現(xiàn)狀。同時，發(fā)展這些新材料和新工藝做一些特殊領(lǐng)域的芯片也還是有相當?shù)那巴镜模荒芤桓欧穸ā?br /> 或許有些人會為我們沒能“彎道超車”在半導(dǎo)體制造工藝上追趕上國外而感到遺憾。不過大國造重器本來就沒有太多的投機取巧，既不能放棄對先進技術(shù)方向的探索，也要在傳統(tǒng)方向上一步一個腳印的追趕。 |
