最新研究:推动芯片产业前进,石墨烯或将替代硅基材料立大功!


发布时间:2018-11-08


  日前,知名媒体EET报道,他们认为石墨烯芯片在未来将会成为延续摩尔定律的关键。他们认为,针对即将出现的新半导体制程节点,石墨烯将在其先进封装与互连材料方面发挥重要作用。在3D IC封装中,石墨烯可作为散热片,用于降低整体热阻,或作为EMI屏蔽,以降低串扰。美国15亿美元的电子复兴也将石墨烯列为重点关注方向。

  自从石墨烯在2003年被发现以来,研究者发现它具有优异的强度、导热性和导电性。最后一种性质使得这种材料非常适合用来制作电路中的微小接触点,用石墨烯自己制成电子元件——特别是晶体管。

  我们知道,硅基材料集成电路主频越高,热量也随之提高,并最终撞上功耗墙。目前硅基芯片最高的频率是在液氮环境下实现的8.4G,日常使用的桌面芯片主频基本在3G到4G,笔记本电脑为了控制CPU功耗,主频普遍控制在2G到3G之间。




  但如果使用石墨烯材料,那么结果就可能不同了。因为相对于现在普遍使用的硅基材料,石墨烯在室温下拥有10倍的高载流子迁移率,同时具有非常好的导热性能,芯片的主频理论上可以达到300G,并且有比硅基芯片更低的功耗——早在几年前,IBM在实验室中的石墨烯场效应晶体管主频达155G。

  因此,在前端设计水平相当的情况下,使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能强几十倍,随着技术发展,进一步挖掘潜力,性能可能会是传统硅基芯片的上百倍!同时还拥有更低的功耗。


石墨烯芯片的机会与挑战


  从目前石墨烯电子学已经取得的进展来看,至少有两个重要的方面是可以确认的。第一是石墨烯器件相对于硅基器件来说具有更好的特性,无论是速度、功耗还是可缩减性,而且可以被推进到 8nm 甚至 5nm 技术节点,这正是 2020 年之后数字电路的目标。第二是石墨烯的数字集成电路的方案是可行的。




  在实验室人们已经实现各种功能的电路,原则上已经可以制备任意复杂的集成电路,特别是 2013 年 9月 26日美国斯坦福大学的研究人员在《Natures》杂志上报道采用碳纳米管制造出由 178 个晶体管组成的计算机原型。虽然目前这个原型机尚在功耗、速度方面不能和基于硅芯片模式的先进计算机比肩,但这项工作在国际上引起了巨大反响, 使得人们看到了碳基电子学时代初露的曙光。IBM 发表的系统计算表明,石墨烯基的芯片不论在性能和功耗方面都将比硅基芯片有大幅改善。例如,从硅基 7 nm 到 5nm技术,芯片速度大约有 20%的增加。但石墨烯 7nm 技术较硅基 7nm 技术速度的提高高达 300%,相当 15 代硅基技术的改善。

  目前石墨烯材料的主要挑战来源于规模生产面临的高可控性材料加工问题,即必须在绝缘衬底上定位生长出所需管径大小的半导体石墨烯。但是到目前为止,对石墨烯生长进行严格的控制还是没有实现。另一个问题是供应链的问题,硅的成本及稳定性的优势还在,芯片厂及封装厂谁愿意开第一枪,就让我们拭目以待。

——本文来自RFID世界网