前言:

半金属铋(Bi)的出现,凭借着能大幅降低电阻并提升电流的能力,给二维材料替代硅带来了希望。而台积电成功领先IBM与三星,抢占了1nm制程的先机。

作者 | 方文

图片来源 |  网 络

先进制程大战你追我赶

虽然摩尔定律已经接近物理极限,但半导体业界对于更先进工艺制程的研究从未停止,比如台积电、三星、IBM等行业巨头,已经在3nm及以下工艺上取得了突破。

5月6日晚间,IBM正式官宣了全球首款采用2nm工艺的芯片。

虽然目前IBM的2nm工艺还处于实验室阶段,但这意味着,在全球半导体企业的制程大战中,IBM取得了领先。

不过,IBM的领先优势只维持了短短几天,全球代工巨头台积电便官宣了最新的研发进展。

与竞争对手三星、英特尔相比,台积电的领先优势无疑将在现有基础上,进一步扩大。按照台积电的说法,其3nm工艺将在今年年底进行风险试产。

除了3nm,台积电此前曾明确表示过,2nm工艺也将按计划时间表推出。

作为全球最大的代工厂,台积电无论在研发水平亦或是资金实力方面,都具有对手们无可比拟的优势。

当台积电正在朝着物理极限不断挑战之时,老对手三星不仅在7nm、5nm时代均处于下风,在3nm工艺上独辟蹊径采用的纳米片晶体管技术,也遭到不少质疑。

三星将在今年6月份展开4nm和3nm的风险试产,如果此消息为真,三星或许具备与台积电一战的实力。

而另一对手英特尔则还在艰难挤牙膏中。目前,英特尔还卡在7nm工艺迟迟无法突破,想要追赶台积电和三星,已然十分困难。

台积电突破1nm芯片领先竞争对手

5月18日,美国《自然》杂志公布了由台积电、台湾大学与麻省理工学院共同研发的半导体新材料——铋(Bi),有望成为突破摩尔定律1nm极限的新材料。

此次由台积电与台大、麻省理工学院共同发表的研究成果,首先由麻省理工团队发现在二维材料上搭配半金属铋(Bi)的电极,能大幅降低电阻并提高传输电流。

随后台积电技术研究部门将铋(Bi)沉积制程进行优化,台大团队并运用氦离子束微影系统将元件通道成功缩小至 nm 尺寸,最终取得了这项突破性的研究成果。

由上述三方研发的这项研究成果已在《Nature》期刊上发布,首度提出利用半金属铋(Bi)作为二维材料的接触电极,可大幅降低电阻并提高电流,使其效能几与硅一致,有助实现未来半导体1nm的制程。

台积电的这项研究发现:二维材料结合半金属铋能达到极低的电阻,接近量子极限,可以进一步缩小器件尺寸并扩展摩尔定律,有助于实现半导体 1nm 以下的艰巨挑战。

当前芯片的主流材料是硅,而目前半导体主流制程发展到了5纳米和3纳米节点,芯片单位面积,所能容纳的晶体管数目,已经逼近了硅这种材料的物理极限,芯片性能想要继续按照摩尔定律逐年提升,已经变得越来越不可能。

但是半导体产业还需要继续发展,所以近些年来,科学界一直在试图寻找能够取代硅的新材料,使得芯片能够在1纳米制程以下继续发展,但是二维材料的高电阻、低电流的情况始终难以解决,而台积电这项研究结果就是芯片新材料的一个突破。

这一旦成为现实,此前所谓的摩尔定律极限就要达成了。而要想提升芯片制程到1纳米,这需要全方位的配合,特别是芯片半导体材料的使用。

先进技术背后尴尬的真相

不管是IBM的2nm芯片技术还是台积电的1nm芯片技术,更先进的工艺带来的则是更强的性能,这确实让消费者所期待。

但我们目前需要的并不是这些2nm、1nm芯片技术的发布或量产,不管是IBM还是台积电,先进工艺的发布,只是为了证明其在半导体领域的地位。

而我国的发展策略是,未全力向5nm进军,反而更成熟的14nm、28nm才是最重要的,因为这些成熟的工艺在市场中的占比达到了90%。

这也是为什么当全球陷入芯片紧缺,台积电却在大陆扩产28nm工艺生产线的原因,因为需求量巨大的28nm市场才是各大企业未来几年的主战场。

美国的2nm芯片技术,台积电的1nm技术,我国不必去跨步追赶,而是要稳步发展,在成熟的工艺方面扎稳脚跟之后,再到先进的工艺领域寻找新突破口,同时也不必因为工艺落后而乱阵脚,即便是7nm,在未来10多年里也有着很大的市场空间。

结尾:

摩尔定律达到极限之时,需要采用全新的技术或材料,以往的市场格局有望被打破,台积电、三星等芯片代工巨头们将站到新的起跑线上,进行重新竞赛。

部分资料参考:数码密探:《台积电突破1nm芯片,中国却掌握原材料的命脉,储量占全球75%》,数码扒一扒:《1nm重大突破!台积电公布新武器,三星、英特尔望尘莫及》