日前，知名媒體EET報(bào)道，他們認(rèn)為石墨烯芯片在未來將會(huì)成為延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵。他們認(rèn)為，針對(duì)即將出現(xiàn)的新半導(dǎo)體制程節(jié)點(diǎn)，石墨烯將在其先進(jìn)封裝與互連材料方面發(fā)揮重要作用。在3D IC封裝中，石墨烯可作為散熱片，用于降低整體熱阻，或作為EMI屏蔽，以降低串?dāng)_。美國15億美元的電子復(fù)興也將石墨烯列為重點(diǎn)關(guān)注方向。
自從石墨烯在2003年被發(fā)現(xiàn)以來，研究者發(fā)現(xiàn)它具有優(yōu)異的強(qiáng)度、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。最后一種性質(zhì)使得這種材料非常適合用來制作電路中的微小接觸點(diǎn)，用石墨烯自己制成電子元件——特別是晶體管。
我們知道，硅基材料集成電路主頻越高，熱量也隨之提高，并最終撞上功耗墻。目前硅基芯片最高的頻率是在液氮環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的8.4G，日常使用的桌面芯片主頻基本在3G到4G，筆記本電腦為了控制CPU功耗，主頻普遍控制在2G到3G之間。
但如果使用石墨烯材料，那么結(jié)果就可能不同了。因?yàn)橄鄬?duì)于現(xiàn)在普遍使用的硅基材料，石墨烯在室溫下?lián)碛?0倍的高載流子遷移率，同時(shí)具有非常好的導(dǎo)熱性能，芯片的主頻理論上可以達(dá)到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實(shí)驗(yàn)室中的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管主頻達(dá)155G。
因此，在前端設(shè)計(jì)水平相當(dāng)?shù)那闆r下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能強(qiáng)幾十倍，隨著技術(shù)發(fā)展，進(jìn)一步挖掘潛力，性能可能會(huì)是傳統(tǒng)硅基芯片的上百倍！同時(shí)還擁有更低的功耗。
石墨烯芯片的機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)
從目前石墨烯電子學(xué)已經(jīng)取得的進(jìn)展來看，至少有兩個(gè)重要的方面是可以確認(rèn)的。第一是石墨烯器件相對(duì)于硅基器件來說具有更好的特性，無論是速度、功耗還是可縮減性，而且可以被推進(jìn)到8nm甚至5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，這正是2020年之后數(shù)字電路的目標(biāo)。第二是石墨烯的數(shù)字集成電路的方案是可行的。
在實(shí)驗(yàn)室人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)各種功能的電路，原則上已經(jīng)可以制備任意復(fù)雜的集成電路，特別是2013年9月26日美國斯坦福大學(xué)的研究人員在《Natures》雜志上報(bào)道采用碳納米管制造出由178個(gè)晶體管組成的計(jì)算機(jī)原型。雖然目前這個(gè)原型機(jī)尚在功耗、速度方面不能和基于硅芯片模式的先進(jìn)計(jì)算機(jī)比肩，但這項(xiàng)工作在國際上引起了巨大反響，使得人們看到了碳基電子學(xué)時(shí)代初露的曙光。
IBM發(fā)表的系統(tǒng)計(jì)算表明，石墨烯基的芯片不論在性能和功耗方面都將比硅基芯片有大幅改善。例如，從硅基7 nm到5nm技術(shù)，芯片速度大約有20%的增加。但石墨烯7nm技術(shù)較硅基7nm技術(shù)速度的提高高達(dá)300%，相當(dāng)15代硅基技術(shù)的改善。
目前石墨烯材料的主要挑戰(zhàn)來源于規(guī)模生產(chǎn)面臨的高可控性材料加工問題，即必須在絕緣襯底上定位生長出所需管徑大小的半導(dǎo)體石墨烯。但是到目前為止，對(duì)石墨烯生長進(jìn)行嚴(yán)格的控制還是沒有實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)問題是供應(yīng)鏈的問題，硅的成本及穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)還在，芯片廠及封裝廠誰愿意開第一槍，就讓我們拭目以待。
自從石墨烯在2003年被發(fā)現(xiàn)以來，研究者發(fā)現(xiàn)它具有優(yōu)異的強(qiáng)度、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。最后一種性質(zhì)使得這種材料非常適合用來制作電路中的微小接觸點(diǎn)，用石墨烯自己制成電子元件——特別是晶體管。
我們知道，硅基材料集成電路主頻越高，熱量也隨之提高，并最終撞上功耗墻。目前硅基芯片最高的頻率是在液氮環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的8.4G，日常使用的桌面芯片主頻基本在3G到4G，筆記本電腦為了控制CPU功耗，主頻普遍控制在2G到3G之間。
但如果使用石墨烯材料，那么結(jié)果就可能不同了。因?yàn)橄鄬?duì)于現(xiàn)在普遍使用的硅基材料，石墨烯在室溫下?lián)碛?0倍的高載流子遷移率，同時(shí)具有非常好的導(dǎo)熱性能，芯片的主頻理論上可以達(dá)到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實(shí)驗(yàn)室中的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管主頻達(dá)155G。
因此，在前端設(shè)計(jì)水平相當(dāng)?shù)那闆r下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能強(qiáng)幾十倍，隨著技術(shù)發(fā)展，進(jìn)一步挖掘潛力，性能可能會(huì)是傳統(tǒng)硅基芯片的上百倍！同時(shí)還擁有更低的功耗。
石墨烯芯片的機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)
從目前石墨烯電子學(xué)已經(jīng)取得的進(jìn)展來看，至少有兩個(gè)重要的方面是可以確認(rèn)的。第一是石墨烯器件相對(duì)于硅基器件來說具有更好的特性，無論是速度、功耗還是可縮減性，而且可以被推進(jìn)到8nm甚至5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，這正是2020年之后數(shù)字電路的目標(biāo)。第二是石墨烯的數(shù)字集成電路的方案是可行的。
在實(shí)驗(yàn)室人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)各種功能的電路，原則上已經(jīng)可以制備任意復(fù)雜的集成電路，特別是2013年9月26日美國斯坦福大學(xué)的研究人員在《Natures》雜志上報(bào)道采用碳納米管制造出由178個(gè)晶體管組成的計(jì)算機(jī)原型。雖然目前這個(gè)原型機(jī)尚在功耗、速度方面不能和基于硅芯片模式的先進(jìn)計(jì)算機(jī)比肩，但這項(xiàng)工作在國際上引起了巨大反響，使得人們看到了碳基電子學(xué)時(shí)代初露的曙光。
IBM發(fā)表的系統(tǒng)計(jì)算表明，石墨烯基的芯片不論在性能和功耗方面都將比硅基芯片有大幅改善。例如，從硅基7 nm到5nm技術(shù)，芯片速度大約有20%的增加。但石墨烯7nm技術(shù)較硅基7nm技術(shù)速度的提高高達(dá)300%，相當(dāng)15代硅基技術(shù)的改善。
目前石墨烯材料的主要挑戰(zhàn)來源于規(guī)模生產(chǎn)面臨的高可控性材料加工問題，即必須在絕緣襯底上定位生長出所需管徑大小的半導(dǎo)體石墨烯。但是到目前為止，對(duì)石墨烯生長進(jìn)行嚴(yán)格的控制還是沒有實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)問題是供應(yīng)鏈的問題，硅的成本及穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)還在，芯片廠及封裝廠誰愿意開第一槍，就讓我們拭目以待。
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