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为什么你需要知道中国科学家开发出了碳基晶体

发布日期:2021-05-15 20:26

  以下设备你用过多少种?手机、电脑/笔记本/平板电脑、机顶盒、电视机、打印机、微波炉、电热水壶、洗衣机、冰箱、电子门禁、智能卡(比如智能公交卡、银行借记卡/信用卡)、电梯、地铁。

  如果答案不是零,你就应该知道,这些设备有一个共同点:芯片是它们的核心或重要组件。

  如果说钢铁是工业时代的基石,那么信息时代的基石就是半导体材料,这是芯片的核心。

  因此,早在1990年代,中国就试图打造属于自己的芯片产业,但由于投资分散于130个加工厂、横跨15省,一直未能形成协调的产业链。20余年后,进入21世纪第二个十年,由国务院牵头,工信部、科技部、财政部、发改委这四大部委协作制定新的发展规划和政策,决心振兴芯片产业。与此前不同,这次参与规划的除了国家部委,还有产业内的龙头企业,并由国务院副总理马凯挂帅。

  2014年6月,《国家集成电路产业发展推进纲要》(以下简称《纲要》)发布,集成电路产业作为信息技术产业的核心,被定义为支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业,9月,国家集成电路产业投资基金成立,首期规模达到1200亿元。为避免之前产业结构不成体系的的问题,此次政府明确了要聚焦于半导体产业各个环节(设计,生产,加工,组装,测试),并在每个环节培育龙头企业。例如,中芯国际在北京经济技术开发区建立300mm生产线,由北京市经信委、中科院微电子所和北京市政府共同投资12亿美元。

  好的方面是,2015年,中国集成电路销售收入接近3600亿元,超过《纲要》的3500亿元目标。中国已经成为世界最大半导体消费国,购买全球约45%的芯片,用于本国或出口的各类设备。因而跨国集团(从汽车,到工业控制,到生产设备)愿意较以往更多地在华设立设计中心,贴近用户并更多地雇佣中国本地高水平研发人员。而随着设计中心向中国迁移,中国很快就能影响全世界50%的半导体硬件设计。更重要的是,当国际著名半导体生产企业,比如三星、台积电、德州仪器等,陆续在中国建厂,中国就有机会借助它们理顺自己的上下游产业链,使本地企业,比如上海华力微电子集团、中芯国际、武汉新芯等,均能从这样一个国际水平高科技生态圈获益。

  坏的方面是,中国每年芯片消耗量巨大,且其中超过90%依赖进口。美国《财富》杂志今年2月报道,美国半导体三巨头,英特尔、高通、苹果,依旧占据3400亿美元半导体年销量的一半。路人皆知他们这一巨大优势在很大程度上源于他们掌握最先进的技术,但中国也有一个现象间接有利于他们维持优势地位:由于中国市场巨大,近年扩张速度快,且技术门槛较低,中国原始设备制造商(OEM)往往不愿意在技术创新上花力气,更多地只看本土市场的销售;数据显示,2012年,中国OEM有54%产品是全新设计的,到了2016年,这一数据下降至28%,而同期为国际市场设计的产品比例也保持在较低的30%左右,这不是一个好的长期战略。

  在中国,尽管外资OEM和本土OEM的研发资金从2012年的1630亿美元增至2015年的2280亿美元,但麦肯锡2017年报告指出,这主要投入在IT和高科技产业的系统级研发和终产品设计(例如手机整机),作为制胜关键的最基本元器件研发没有得到足够重视。技术水平继续落后世界领先水平5到6年。

  2017年初,北京大学彭练矛教授领导的团队发表在科研界顶级期刊《科学》上的一项结果,证明中国人有能力扭转这一现状:他们用新材料(碳纳米管)制造出芯片的最基本元器件——晶体管,其工作速度3倍于英特尔最先进的硅基商用器件,能耗却只有对方的25%,且其他重要性能指标也都占优。同时,由碳晶体管打造的小规模集成电路也体现出优于硅的性能,而晶体管的速度和能耗直接影响芯片的速度和能耗。如果将这一成果纳入国家战略,与国内在芯片设计及加工等各方面的龙头企业合作,联手开发碳基芯片,那么,中国的芯片技术很可能实现换道超车。

  我们是这样分析的:成本方面,碳与硅同为地球上含量相当丰富的元素,若按质量算,碳的含量排第四位,硅排第八位,若按生产工艺算,碳基晶体管制备步骤仅为硅基晶体管的一半,碳基集成电路所需材料种类亦明显少于硅基集成电路,这两个特点均有助于降低生产成本,巩固碳作为芯片材料的优势。

  但有了换道超车的可能性只是一个起点,而尽管我们有了这样好的一个起点,我们也意识到了工程化的困难。

  工程化之难,举世公认,以至于从实验室到产品中间的这一环节得到了“死亡谷”的外号。

  以英特尔为例,其在1968年成立之初,收到Arthur Rock (美国资深投资人,是他为风险投资命名)250万美元投资。在经历4年亏损之后,于1972年开始盈利,逐步走出死亡谷。回顾1960、1970年代,恰是半导体产业的开端,销售单个晶体管都可以盈利,像英特尔这样由资深专家组建的公司尚且要花费四年时间才能开始盈利。时过境迁,如今的半导体行业竞争激烈,市场趋于饱和,利润被不断摊薄,麦肯锡分析,创业公司花个5年、10年甚至15年才开始盈利已是普遍现象。并且,由于过度竞争,造成投资回报率普遍低于投资人能接受的底线%)。因此,今天摆在我们面前的工程化死亡谷比起当年更具有挑战性,更加考验我们的决心。

  仍以英特尔为例,其从1968年创立到2015年的研发费用总计1257亿美元。要想达成英特尔如今的成就,我们还有很长的路要走,因此我们建议,整合国内企业和高校最先进的技术,共同解决芯片各个部分的开发。

  首先,半导体产业近年出现一些重要变化,给碳芯片提供了机遇。从1995到2008年,是美国半导体产业的黄金时代, SOX指数(反映美国半导体行业变化)曾一度三倍于S&P500指数,展现出半导体产业优于其他行业的竞争力。而从2008年到2014年,这优势消失,两大指数十分接近,主要原因是手机和计算机需求量下降。但自2015年以来物联网开始快速发展,创造出对各类传感器及相关芯片的巨大需求,极有可能重振芯片产业:在国际半导体产业联盟中,48%的成员认为物联网将是未来推动本产业排位前三甲的强大驱动力,17%的成员将其列为第一驱动力。

  同时,物联网要用到的传感器中的芯片,其结构较计算机和手机芯片要简单得多,并且,这是一个全新的市场,固化尚未出现。

  具体到技术层面,物联网行业最需要的创新在于更低的能耗和更长的电池寿命,因为更长的待机时间可以激发更多的需求和新的功能,而低能耗恰是碳芯片最厉害的特长之一。

  举例:彭教授的团队已在实验室实现了碳材料的医用传感器,可以检测血压心跳和血糖等生化指标,由于碳材料与人体存在高兼容性,且具有良好的柔韧性,这种传感器可以完美贴合在皮肤上,而且可以做得很薄,让人感觉不到它的存在,不会有异物感。这种传感器同样可以用于健身手环(fitness tracker),其低功耗可以显著延长手环续航时间。

  再举例:碳材料可以感光,用在夜视装备上可以达到极高的清晰度,且对不发热的物体也能成像,远胜于红外热像仪,还可以在浓雾中成像,这使它在汽车辅助驾驶系统中大有用武之地,以及打造最适合智慧城市的监控摄像头。目前彭教授的团队已在开发这项技术并取得重要进展。

  重点是,在当今物联网创造的六大市场中(可穿戴智能传感器,智能家庭应用,医疗电子,工业自动化,汽车辅助驾驶,智慧城市),碳材料已经确定可以切入其中四个。

  大数据时代对数据中心的大量需求也是碳材料的切入点,因为碳材料存储器功耗低,将显著减小数据中心的巨额散热费用。此外,NAND存储器的3D化架构也是碳材料的优势之一。不过这个方向或许不是很理想,因为存储器行业一直存在供给过剩,大幅挤压了利润空间。随着行业从25nm结点向20nm结点迈进,新一波的产能过剩已经开始。

  长久以来,整个半导体产业(芯片、存储器等等)遵循摩尔定律,不断缩小晶体管尺寸以提升性能,创造新的产品,已经打造出一个年收入(税前,利息前)2500亿美元的产业生态,包括芯片等半导体设备生产及相关的产业(例如芯片加工设备)。随着摩尔定律即将到达终点,晶体管尺寸不能再缩小(已经达到物理极限),整个生态圈所有的环节就面临另谋出路的问题:过去,半导体企业争的是更高的性能和更快的技术升级,现在低成本成为区分成败的标尺。这里再次提出碳材料的第三大优势——低成本,可以认为,谁先掌握碳芯片技术,谁就可能在新一轮角逐中胜出。

  反观近年来中国的半导体技术快速升级,主要靠巨额收购,但这种方法并不能带来最新的技术。中国的汽车工业就是前车之鉴,强制外资车企与本地车企共享技术,结局却是国内车企严重依赖外资。2016年美韩等国相继出台政策法规阻止中国收购半导体核心技术,使收购之路更加行不通。

  一个可资借鉴的例子是韩国三星如何从后赶上、一路发展成为现在具备芯片加工能力的三大顶级企业之一,他们靠的就是巨额研发投入外加人才引进,还有坚韧的耐心度过漫长的低收入阶段。

  也许有人认为,用过时技术也能制造出某些芯片来满足国内市场需求(还要结合限制进口才能实现),但这不能让我们在国际市场上形成竞争力。要记住,如同《经济学人》所说,半导体是这样一个行业:排名第一第二的公司攫取全部利益,其他公司全部亏损。

  关于碳基芯片的研发要不要走工程化环节、还是说停留在实验室阶段就算了,彭教授自己说了这样一番话:若说看不到追赶国际先进企业的路也就罢了,现在已经看得见前面有亮光,只是不确定循着亮光走下去这路会不会很崎岖、很漫长,然而如果就此停步,真是我们想要的吗?

  ——回想工业时代我们的前辈那么努力要摆脱钢铁的对外依存度,等到进入信息时代,我们反而不介意集成电路继续依赖进口么?