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国产光刻机的创新为何还解不了“缺魂少芯”

根据科技日报的消息,4月10日记者从武汉光电国家研究中心获悉,该中心甘棕松团队采用二束激光在自研的光刻胶上突破了光束衍射极限的限制,采用远场光学的办法,光刻出最小9纳米线宽的线段,实现了从超分辨成像到超衍射极限光刻制造的重大创新。

国产光刻机的创新为何还解不了“缺魂少芯”

(甘棕松团队研制的9nm线宽双光束超衍射极限光刻试验样机)

该样机实现了材料,软件和零部件等三个方面的国产化,实现了微纳三维器件结构设计和制造软件一体化,可无人值守智能制造。同时通过合作实现了样机系统关键零部件包括飞秒激光器、聚焦物镜等的国产化,在整机设备上验证了国产零部件具有甚至超越国外同类产品的性能。甘棕松说,最关键的是,我们打破了三维微纳光制造的国外技术垄断,在这个领域,从材料、软件到光机电零部件,我们都将不再受制于人。

9nm、光刻试验样机、国产化、超越国外产品性能、打破国外技术垄断等字眼很难不让人联想到到一直对中国大陆封锁的光刻机。距离去年4月美国商务部激活对中兴通讯的拒绝令已经过去整整一年了,中国缺少高端通用芯片及基础软件产品的问题却越来越受到广泛的关注。

光刻机作为半导体生产制造环节最重要的核心部件,其关键技术一直被荷兰ASML公司垄断,并被西方限制向中国大陆出口。不能获得最先进的光刻机是境内半导体工艺制程始终比境外落后1-2代甚至3代的主要原因。

归根结底,人们要问这台商业化、国产化都很充分的光刻试验样机短时间内用于高等级集成电路生产的可能吗?有可能替代进口的光刻机吗?能解决中国计算机产业现在面临“缺芯少魂”的尴尬吗?

很遗憾,几乎所有媒体报道国产光刻试验样机问世时都会提到光刻机和芯片制造。但所有官方消息都会指出这是超衍射极限光刻试验样机,主要解决的是微纳三维器件结构设计和制造的问题。

也就是说这台样机不是一般意义上的光刻机,短时间内也无法用于高等级集成电路芯片的生产。

事实上这并不是一个特例,每年国内外都会涌现一批生产芯片的新材料、新工艺。这些新材料、新工艺如果不能与现有的材料和工艺紧密的结合一般最终都不能用于生产通用性强的高等级半导体芯片。对中国而言,尽管这些进步都将在各自领域中发挥重要作用,但对于解决“缺芯”问题帮助不大。

新材料、新工艺局部具有突出优势,但局限也很大

从原理角度讲,能够支持纳米级别加工的材料、工艺数量着实不少,而且还在不断地增加。其中又有为数不少的材料和工艺能够用于加工电路。在旧有工艺的局限性不断暴露,集成电路制程更新乏力的大背景下,只要提出或者改进一下这些工艺或者材料,就会被认为具有替代现有的工艺可能或者重大技术突破而被广泛关注。

在过去的一年中,比较有名的就有美国国防高级研究计划局投资石墨烯3D芯片以及国产“超分辨光刻装备项目”等报道。

这些新材料、新工艺相比目前的硅半导体和光刻而言,在某些方面具有突出的优势,但是总得来说还是局限更大,只能用于生产特殊芯片而非通用的高等级集成电路芯片。

去年美国国防高级研究计划局给麻省理工学院Max Shulaker团队资助了6100万美元用于利用石墨烯材料制作碳纳米晶体管,并构造出3D芯片来。Max教授早在斯坦福大学就读博士时就开发出了世界上第一台基于碳纳米晶体管技术的计算机,并将成果公布在著名的《自然》杂志上。

2017年Max教授再次于《自然》杂志发文提出单芯片上三维集成的计算和存储模型,也是在这篇文章中产生了石墨烯制造的碳纳米管3D芯片这一概念。

国产光刻机的创新为何还解不了“缺魂少芯”

(2017年论文中的碳纳米管3D芯片原理图和显微镜剖面图)

用Max教授的话说:“与传统晶体管相比,碳纳米管体积更小,传导性也更强,并且能够支持快速开关,因此其性能和能耗表现也远远好于传统硅材料”。但是经过数年的研究,到2017年Max教授不再谋求通过碳纳米管直接取代硅晶体管。

2017年的研究中所谓的碳纳米管3D芯片中计算、储存、缓存都是由硅晶体管构成的。只有负责实验样品蒸汽数据采集、传输和处理的部分是碳纳米晶体管构建的。换言之,碳纳米管3D芯片更像是集成了碳纳米管气体传感器的普通芯片,只是集成度稍高而已。

目前碳纳米管具有硅晶体管所不具备的更优良的力学、化学和电学性能,但是另一方面产量、良率、电路的抗干扰能力、速度都存在很大的劣势。与造成的麻烦相比,石墨烯带来的优势不止一提。很可能只能继续用于为处理芯片集成各种各样的集成传感器。

过去一年中一个关于半导体制造新工艺的是去年12月1日,《解放军报》报道了中科院光电所可加工22nm芯片的“‘超分辨光刻装备项目’通过国家验收”。

此次自主光刻设备由于采用了表面等离子体技术,使得光源的波长与线宽之比大大提高。由激光直写、激光干涉等技术的2-4:1提升至现有的17:1。这意味着用该自主光刻设备生产半导体的光源成本将大大降低,同时还将绕过西方发达国家在半导体领域经营数十年的专利壁垒,并且新技术还有较大的潜力可以挖掘。

该光刻设备的面世,填补了相关技术的空白,取得了一定的应用,达到了相当的水平。同时也应该看到,目前这种工艺存在技术应用还不太成熟,还无法加工像主流PC电脑CPU和显卡一样的复杂部件。

该项目的副总设计师胡松在接受央视13频道的《午夜新闻栏目》采访时说到该设备可以加工十毫米乘十毫米范围的芯片。这已经包括了几乎所有手机SoC(例如麒麟970、苹果A11芯片)能达到的大小。已经是非常不错的结果,不过显然还有进步的空间。

国产光刻机的创新为何还解不了“缺魂少芯”

(该项目副总设计师披露的设备性能情况)

总之,利用新材料、新工艺往往能够得到某些突出的优势,但同时也存在着各种各样的局限。

新形势下非传统半导体材料和工艺逆袭的难度越来越大

除了新材料和新工艺存在的局限之外,目前围绕现有工艺构筑的成熟生态也限制了新材料、新工艺逆袭的可能性。

试想一下,如果如果武汉光电国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艺光刻机。就真的能很快生产出这样的芯片吗?

随着半导体芯片制造的制程越来越小,人类遇到了越来越多的新问题,半导体工艺与设计之间的关系也越来越紧密。目前半导体制造中换个工艺或者制程,芯片的电路部分很可能就要重新设计。如果新制程工艺优化得不好或是芯片没有根据新工艺做足够的调整,新工艺流片的芯片性能和稳定性不如老工艺是完全有可能的。

英特尔在2007年宣布了著名的“嘀嗒”(Tick-Tock)战略模式,“Tick-Tock”的名称源于时钟秒针行走时所发出的声响。一般一次“Tick-Tock”的周期为两年,“Tick”占一年,“Tock”占一年。Tick年(工艺年)更新制作工艺,Tock年(架构年)更新微架构。

但是2016年,英特尔打破了自己定下的这一战略,将这一战略修改为“制程-架构-优化”(PAO)的三步走战略。

国产光刻机的创新为何还解不了“缺魂少芯”

(英特尔原本的“两步走”战略放缓到“三步走”)

英特尔之所以做出这样的改变,原因是多种多样的,既有合理化10nm难产、追求更高利润率的原因。另一方面,现有工艺与设计的耦合性越来越强恐怕也是很重要的原因。

要保证随着制程的提高性能一代更比一代强,恐怕确实需要多一年的时间来进行这样的优化。

对于目前的芯片设计而言,半导体生产企业必须要把足够多的参数和数据提前提供并不断更新才能保证设计的正常进行,这一过程中需要做大量的实验,花费巨额的资金,对于新工艺而言还有完全失败的可能性。

同时随着半导体制造企业出于保护技术秘密,降低设计企业开发成本等因素,往往还会提供给设计企业封装好的工艺库和工具箱,甚至于连设计用的IDE都必须由半导体制造企业定制。新工艺如果没有足够多的优点和可靠的财力支持很有可能倒在颠覆半导体制造方式的征程上。

因此,笔者不看好非传统半导体材料或是工艺的进步能够改变目前我国“缺芯少魂”的现状。同时,发展这些新材料和新工艺做一些特殊领域的芯片也还是有相当的前途的,不能一概否定。

或许有些人会为我们没能“弯道超车”在半导体制造工艺上追赶上国外而感到遗憾。不过大国造重器本来就没有太多的投机取巧,既不能放弃对先进技术方向的探索,也要在传统方向上一步一个脚印的追赶。

责任编辑:李德全 CM034
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