石墨烯能否取代矽延續摩爾定律?

過去幾十年,矽幾乎是晶片製造的唯一選擇,以矽為材料的晶片也一直在跟隨摩爾定律的步伐,製程以及整合度都在穩步提升。但是現在,半導體領域遇到了空前的麻煩,矽基材料在晶片製造上的提升空間越來越小,以至於人們膜拜幾十年的摩爾定律也開始停滯不前。

 

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好在,科技前進的步伐並沒有停止,下一代晶片材料——石墨烯已經準備登上歷史舞台。現在晶片有極限寬度,矽的極限是七奈米,已經臨近邊界。石墨烯已經是技術革命尖端,可以預見的未來10到20年,這才是真正的變革。也就是說,半導體工業將從「矽時代」進入「碳時代」。現在讓我們來看看這神奇之「碳」!

石墨烯材料誕生於2004年,由英國曼徹斯特大學兩位科學家安德烈·傑姆和克斯特亞·諾沃肖洛夫首次在實驗室發現。簡單來說,石墨烯就是把石墨中的堆疊的碳原子分離成單層或者雙層,例如,鉛筆在紙上留下的痕跡就可能是幾層甚至是單層石墨烯。

那麼石墨烯好在哪裡?石墨烯的發現者之一、2010年諾貝爾物理學獎得主安德列·海姆這樣描述:「石墨烯對很多人來說就像愛麗絲仙境一樣,非常神奇」。

石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的奈米材料,石墨烯導熱, 導電率高,化學結構又十分穩定,是一種用於移動電池、電源很理想的電極材料。

特斯拉CEO馬斯克曾預測,使用石墨烯聚合材料電池的電動汽車未來的續航里程可以達到800公里,達到了傳統汽車的續航水平。

除了電池材料之外,石墨烯對晶片性能的提升也非常明顯。

眾所周知,矽基晶片的主頻越高,發熱量就越高,但是主頻是晶片性能最重要的衡量標準之一,很多晶片商為了控制發熱問題都會採取降頻措施。目前,PC處理器的主頻基本在3-4GHz,而移動處理器最高也不過2GHz的水平。

相比之下,石墨烯的承受能力要比矽材料高出不少。因為石墨烯良好的導熱性,其晶片主頻理論可以達到300GHz,而且在功耗方面也比矽材料晶片要好。

分析認為,首先,石墨烯如果取代矽,有望讓計算機處理器的運行速度快數百倍。其次,石墨烯有望引發觸摸屏和顯示器產品的革命,製造出可摺疊、伸縮的顯示器件。再其次,石墨烯可以推動超級電容器發展,使得同等體積的電容擴充5倍以上的容量。此外,石墨烯加入鋰電池電極中能夠大幅提高導電性能。石墨烯因其超出鋼鐵數十倍的強度,也有望被用於製造紙片般薄的超輕型飛機材料、超堅韌的防彈衣和「太空電梯」的纜線,在這些領域將引發革命性的突破。

不過需要注意的是,因為技術的局限性,現在石墨烯的生產基本還處於實驗用研究層面,並未大規模量產用於商業用途。另外,石墨烯的研製成本非常高,之前石墨烯價格高達770美金/克,被業內人士稱為“黑金”。所以投入石墨烯的公司基本上還是一些科技巨頭,包括英特爾、三星、IBM等,

面對美國及大陸的強勢壓境,台灣在石墨烯產業中不會缺席,除了晶圓代工龍頭台積電近幾年已針對石墨烯材料進行研究,還有包括安炬科技、奈創科技、誌陽科技等新創公司陸續投入石墨烯生產行列。其中,久元子公司久宏鑫已成功利用化學氣相沉積(CVD)製程量產石墨烯,技術能力已與國際大廠並駕齊驅。

半導體的摩爾定律雖然目前仍然有效,但微縮難度愈來愈高,各大半導體廠都想盡辦法找尋新的材料以延續摩爾定律,其中,石墨烯就成為重要選項之一。IBM雖然將晶圓廠賣給了格羅方德(GlobalFoundries),但本身仍持續投入半導體研發,去年就宣布將在5年內投入30億美元資金,投入研發石墨烯電晶體。

英特爾及三星近幾年同樣投入資金進行石墨烯電晶體的研發,雖然目前認為要用石墨烯取代矽,仍需要很長的一段時間,但至少石墨烯已經成為主要選項之一,並擁有許多專利。台積電近幾年來也跟國內大學或研究機構投入石墨烯材料的研究,如近幾年就跟清大共同針對石墨烯材料進行研發工作。

據統計,大陸石墨礦儲量占到世界總儲量的75%,生產量約占世界總產量70%,具備發展石墨烯產業的資源基礎。截至目前,大陸石墨烯企業已超過百家,並在常州、無錫、青島、深圳等地形成產業集群。

實際上,據英國《泰晤士報》網站10月24日報導,在截至今年初的逾2.5萬件石墨烯應用專利申請中,有近1/3來自中國,只有12件申請來自曼徹斯特。但是作為石墨烯研究的鼻祖,英國在石墨烯研究領域研究的底子更深厚。

目前,曼徹斯特大學國家石墨烯研究所是石墨烯研究和商用的領先機構,已有40多家企業與曼徹斯特大學的235名研究人員合作開展石墨烯和相關二維材料的研究。而且,曼徹斯特大學周邊目前已催生出上千家獨立公司,可以說英國在石墨烯的研發能力是其它國家無法比擬的。

不久前,華為宣佈與英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究院合作,研究如何將石墨烯領域的突破性成果應用於消費電子產品和移動通信設備。可以預想,手機將繼功能機向智慧機變革之後,再發生新「革命」——石墨烯的特性未來將使顯示幕超薄、超輕,實現可捲曲的柔性顯示。

不過,石墨烯能否成延續摩爾定律的“神兵”,我們不得而知。

 

出處:雷鋒網

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