Berita
Bagaimana semikonduktor berbasis karbon menerobos?
Selama setengah abad terakhir, industri semikonduktor telah mengikuti lintasan hukum Moore untuk berkembang dengan kecepatan tinggi. Saat ini, metode meningkatkan kinerja chip hanya dengan meningkatkan proses tidak dapat lagi memenuhi kebutuhan waktu, dan industri semikonduktor secara bertahap memasuki "era pasca-Moore." Munculnya era pasca-Moore telah membawa peluang pengembangan baru untuk pengembangan industri sirkuit terintegrasi China. China ELECTRONICS News telah meluncurkan serangkaian laporan tentang "Menjelajahi teknologi gangguan sirkuit terintegrasi di era pasca-moore" untuk memilah-milah potensi teknologi gangguan sirkuit terintegrasi. Diskusikan status pengembangan, masalah industri, dan prospek masa depan masing-masing teknologi.
Dengan proses pembuatan chip mendekati 2 nanometer, potensi bahan chip berbasis silikon pada dasarnya telah disadap, dan itu tidak dapat memenuhi kebutuhan pengembangan industri di masa depan. Penggunaan bahan baru diakui sebagai solusi fundamental untuk masalah kinerja chip. Jika hukum Moore benar-benar gagal, chip berbasis silikon yang secara bertahap mendekati batas fisik cenderung berada dalam situasi di mana tidak ada jalan keluar dari keraguan. Dalam hal ini, akankah semikonduktor berbasis karbon menjadi Juruselamat yang akan menunjukkan kepada kita adegan "desa baru"? Pada tahap ini, bagaimana semikonduktor berbasis karbon dapat keluar dari "ruang kaca" laboratorium dan benar-benar menyadari potensi mereka masih menjadi fokus perhatian dan kesulitan yang dihadapi oleh industri.
Semikonduktor berbasis karbon memiliki keunggulan unik
Setelah Hukum Moore, "Aturan Emas" dari industri semikonduktor, kinerja chip semikonduktor berbasis silikon akan berlipat ganda setiap 18 hingga 24 bulan. Namun, karena ukuran chip terus menyusut, terutama ketika tingkat teknologi pembuatan chip memasuki simpul 5-nanometer, pengembangan chip silikon mulai menghadapi banyak kendala fisik, dan industri secara bertahap muncul "Hukum Moore sudah mati" dan " Teknologi berbasis silikon telah berakhir. " Dan pandangan lainnya. Semikonduktor berbasis karbon dianggap sebagai salah satu teknologi gangguan di era pasca-moore.
Semikonduktor berbasis karbon adalah bahan semikonduktor yang dikembangkan berdasarkan nanomaterial berbasis karbon, diwakili oleh karbon nanotube (CNT) dan Graphene. Laporan penelitian ITRS telah dengan jelas menunjukkan bahwa penelitian masa depan fokus industri semikonduktor harus fokus pada elektronik berbasis karbon.
Untuk melanjutkan hukum Moore, para peneliti terus mengeksplorasi bahan-bahan baru dan struktur perangkat baru. Dibandingkan dengan teknologi berbasis silikon tradisional, keuntungan apa yang dimiliki semikonduktor berbasis karbon, yang telah menarik banyak peneliti ilmiah "bersaing"?
Staf teknis lembaga penelitian sirkuit terintegrasi berbasis karbon Beijing sebelumnya mengatakan kepada reporter "News Electronics News" bahwa teknologi berbasis karbon memiliki kinerja yang lebih baik dan konsumsi daya yang lebih rendah daripada teknologi berbasis silikon. Misalnya, chip berbasis karbon menggunakan proses 90 nanometer diharapkan menghasilkan chip berbasis silikon dengan kinerja dan integrasi yang setara dengan simpul teknologi 28-nanometer, dan chip berbasis karbon menggunakan proses 28 nanometer dapat mencapai silikon berbasis chip setara dengan node teknologi 7-nanometer.
Ma Yaobin, seorang peneliti di Institut Sirkuit Terpadu, CCID Think Tank, mengambil karbon nanotube sebagai contoh untuk menunjukkan kepada wartawan dari China ELECTRONICS News tentang keunggulan teknologi semikonduktor berbasis karbon. "CNT (karbon nanotube) memiliki mobilitas operator yang sangat tinggi, ukuran tubuh yang sangat tipis dan konduktivitas termal yang sangat baik. Dibandingkan dengan prosesor berbasis silikon, kecepatan operasi dan konsumsi energi prosesor berbasis CNFET dapat memiliki sekitar 3%. Keuntungannya Waktu, yaitu, keuntungan dari produk penundaan energi (EDP) sekitar 9 kali. " Ma Yaobin mengatakan kepada wartawan.
Penggunaan bahan graphene juga merupakan bukti kuat dari keunggulan semikonduktor berbasis karbon. Ma Yaobin menunjukkan kepada wartawan bahwa Graphene memiliki karakteristik yang sangat baik seperti mobilitas pembawa tinggi dan konduktivitas termal yang baik, yang memungkinkan transistor graphene untuk mendapatkan kecepatan transmisi sinyal tinggi dan disipasi panas yang baik. Di masa depan, Graphene diperkirakan akan memainkan peran penting dalam mewujudkan chip ukuran yang lebih kecil, interkoneksi paket 3D, dan mengoptimalkan pembuangan panas chip.
Dawn dari teknologi karbon nanotube
Bahkan, pengejaran dan eksplorasi bahan semikonduktor berbasis karbon tidak hanya dimulai dalam beberapa tahun terakhir. Teknologi karbon nanotube menggunakan bahan baru selalu menarik perhatian para ilmuwan yang tak terhitung jumlahnya. Pada tahun 1991, fisikawan Jepang Sumio IIJIMA, yang telah terpilih sebagai akademisi asing dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, secara tak terduga menemukan nanotube karbon ketika ia menggunakan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi untuk mengamati produk serat karbon yang dihasilkan oleh metode ARC. Menurut pengamatannya, nanotube karbon terbuat dari molekul karbon yang disusun dalam bentuk tubular, yang dapat dianggap sebagai lapisan tunggal grafit yang digulung menjadi "silinder", yang perlu disiapkan dari bahan karbon seperti batang grafit oleh spesial metode.
Pada Agustus 2019, hasil penelitian dari karbon nanotube sekali lagi membuat serangkaian karakter "Halo, dunia yang akrab untuk setiap programmer sensasi global. Sebuah makalah yang diterbitkan dalam jurnal Nature menunjukkan bahwa Max Shulaker dan rekan-rekannya di Institut Teknologi Massachusetts di Amerika Serikat berhasil merancang dan membangun mikroprosesor karbon nanotube. Mikroprosesor ini adalah mikroprosesor 16-bit yang diproduksi menggunakan lebih dari 14.000 transistor karbon nanotube (CNT). Metode desain dan manufakturnya mengatasi tantangan sebelumnya yang berkaitan dengan karbon nanotube dan diharapkan menjadi silikon di perangkat mikroelektronik canggih. Bawa alternatif berkinerja tinggi. Mikroprosesor ini dinamai "RV16X-NANO" dan berhasil mengeksekusi program dalam tes, menghasilkan pesan: "Halo, World! Saya rv16xnano, terbuat dari karbon nanotube."
Ma Yaobin mengatakan kepada wartawan bahwa para peneliti dari TSMC, Universitas Stanford dan University of California, San Diego juga telah secara bersama-sama mengembangkan CNFET Top-Gate (Transistor Efek Bidang Karbon Nanotube) dengan panjang gerbang 10nm dan Ayunan Subthreshold 68mV / Des.
Tahun lalu, tim akademisi Akademi Ilmu Pengetahuan Mandarin dan Profesor Departemen Elektronik Universitas Peking Peng Lianmao dan Profesor Zhang Zhang Zhiyong Hasil penelitian utama pada bahan semikonduktor berbasis karbon juga memberi industri harapan baru di era pasca-moor. . Pada tanggal 22 Mei 2020, tim menerbitkan sebuah makalah "array paralel karbon karbon semikonduktor kepadatan tinggi untuk elektronik berkinerja tinggi" di majalah sains, memperkenalkan pengembangan terbaru tim pemurnian dan metode perakitan diri yang dibatasi secara dimensi. Metode ini memecahkan masalah kemurnian material, kepadatan dan area yang telah lama melanda persiapan bahan semikonduktor berbasis karbon.
Kemajuan penelitian tentang semikonduktor berbasis karbon tidak selalu lancar berlayar. Setelah "ombak besar", penelitian di bidang ini oleh beberapa institusi dan perusahaan telah macet. Pada awal 2014, IBM membuat retorika tebal, mengatakan bahwa itu akan menggunakan nanotube karbon untuk menghasilkan chip 5 kali lebih cepat daripada pada tahun 2020, tetapi tidak ada kemajuan lebih lanjut dalam penelitian dan pengembangan.
Sirkuit berbasis karbon dan silikon perlu dikembangkan secara berbeda
Meskipun semikonduktor berbasis karbon diwakili oleh karbon nanotube dan graphene memiliki banyak keunggulan teknis dan potensi pasar jelas bagi semua, masih ada banyak kesulitan dalam kualitas tinggi, produksi massal dan aplikasi praktis dari semikonduktor berbasis karbon.
Tidak mudah untuk tabung karbon untuk membentuk film tipis untuk memproses sirkuit VLSI. Profesor Wan Qing dari School of Electronic Science dan Teknik Nanjing University menyatakan pendapatnya kepada reporter "China Electronics News": Jika itu adalah pertumbuhan arah langsung, sulit untuk mendapatkan film tabung karbon semikonduktor sempurna kepadatan tinggi; Untuk memenuhi kebutuhan teknologi sirkuit terintegrasi skala luas (12-inci) yang sangat besar, manufaktur massal dan hasil produk dapat menjadi tantangan.
Wan Qing percaya bahwa, meskipun satu perangkat berbasis karbon sudah baik-baik saja, dibandingkan dengan sirkuit terintegrasi silikon, semikonduktor berbasis karbon masih memiliki masalah tertentu dalam integrasi skala ultra-skala nano dan hasil industri. Dalam hal aplikasi sirkuit terpadu konvensional, sirkuit tabung karbon mungkin tidak dapat bersaing dengan sirkuit berbasis silikon saat ini, sehingga semikonduktor berbasis karbon mungkin memerlukan pengembangan yang berbeda. Di masa depan, diharapkan dapat menemukan jalan keluar di bidang baru seperti sistem penginderaan dan fleksibel.
Ma Yaobin mengatakan kepada wartawan bahwa persiapan batch kemurnian semikonduktor ultra-tinggi (99,9999%), in-line (sudut orientasi <9°), high density (100-200/μm), and large-area uniform CNT array film currently exists. Difficulties, which hinder the rapid application of CNFET in the field of integrated circuits. "In terms of purity, the current prepared CNTs will have the symbiosis phenomenon of semiconductors and metal CNTs, and the appearance of metal CNTs will cause serious degradation of the electrical performance of devices and chips." Ma Yaobin said.
Sejauh menyangkut Graphene, MA YAOBIN mengatakan bahwa fitur kesenjangan nol band dari graphene intrinsik membuat rasio saklar transistor graphene sangat kecil, yang juga akan membatasi penerapan semikonduktor berbasis karbon di sirkuit logika.
Dari "nilai ideal" laboratorium untuk aplikasi skala besar di pasar, jalan menuju industrialisasi semikonduktor berbasis karbon panjang dan sulit. Xu Zheng, seorang profesor di Sekolah Ilmu Universitas Beijing Jiaotong, mengatakan kepada reporter "China Electronics News" yang saat ini, bahan semikonduktor berbasis karbon telah mencapai sifat fisik, tetapi untuk membuat perangkat, mereka perlu menjalani banyak proses pemolesan. "Realisasi teknologi dan jaminan kinerja biaya adalah prasyarat untuk industrialisasi semikonduktor berbasis karbon." Terlepas dari kesulitan dan tantangan, Xu Zheng masih penuh harapan untuk masa depan semikonduktor berbasis karbon. "Jika tingkat pengembangan peralatan terkait ditingkatkan, industri semikonduktor berbasis karbon dapat dengan dukungan peralatan industri, dimungkinkan untuk semikonduktor berbasis karbon untuk mencapai pembangunan skala besar dan industri."
Dalam perjalanan panjang menangani semikonduktor berbasis karbon, industri perlu menumbuhkan keterampilan internal dan membentuk akumulasi teknologi sistematis. Beberapa hari yang lalu, tim Peng Lianmao akademician juga menyatakan kesediaan untuk melakukan hal-hal rendah untuk wartawan. Ini mungkin dapat menjelaskan dari sisi bahwa jika industri semikonduktor berbasis karbon akan mencapai pengembangan lebih lanjut, industri masih perlu berkonsentrasi pada penelitian dan pengembangan dan menjadi down-ke-earth.
Dengan proses pembuatan chip mendekati 2 nanometer, potensi bahan chip berbasis silikon pada dasarnya telah disadap, dan itu tidak dapat memenuhi kebutuhan pengembangan industri di masa depan. Penggunaan bahan baru diakui sebagai solusi fundamental untuk masalah kinerja chip. Jika hukum Moore benar-benar gagal, chip berbasis silikon yang secara bertahap mendekati batas fisik cenderung berada dalam situasi di mana tidak ada jalan keluar dari keraguan. Dalam hal ini, akankah semikonduktor berbasis karbon menjadi Juruselamat yang akan menunjukkan kepada kita adegan "desa baru"? Pada tahap ini, bagaimana semikonduktor berbasis karbon dapat keluar dari "ruang kaca" laboratorium dan benar-benar menyadari potensi mereka masih menjadi fokus perhatian dan kesulitan yang dihadapi oleh industri.
Semikonduktor berbasis karbon memiliki keunggulan unik
Setelah Hukum Moore, "Aturan Emas" dari industri semikonduktor, kinerja chip semikonduktor berbasis silikon akan berlipat ganda setiap 18 hingga 24 bulan. Namun, karena ukuran chip terus menyusut, terutama ketika tingkat teknologi pembuatan chip memasuki simpul 5-nanometer, pengembangan chip silikon mulai menghadapi banyak kendala fisik, dan industri secara bertahap muncul "Hukum Moore sudah mati" dan " Teknologi berbasis silikon telah berakhir. " Dan pandangan lainnya. Semikonduktor berbasis karbon dianggap sebagai salah satu teknologi gangguan di era pasca-moore.
Semikonduktor berbasis karbon adalah bahan semikonduktor yang dikembangkan berdasarkan nanomaterial berbasis karbon, diwakili oleh karbon nanotube (CNT) dan Graphene. Laporan penelitian ITRS telah dengan jelas menunjukkan bahwa penelitian masa depan fokus industri semikonduktor harus fokus pada elektronik berbasis karbon.
Untuk melanjutkan hukum Moore, para peneliti terus mengeksplorasi bahan-bahan baru dan struktur perangkat baru. Dibandingkan dengan teknologi berbasis silikon tradisional, keuntungan apa yang dimiliki semikonduktor berbasis karbon, yang telah menarik banyak peneliti ilmiah "bersaing"?
Staf teknis lembaga penelitian sirkuit terintegrasi berbasis karbon Beijing sebelumnya mengatakan kepada reporter "News Electronics News" bahwa teknologi berbasis karbon memiliki kinerja yang lebih baik dan konsumsi daya yang lebih rendah daripada teknologi berbasis silikon. Misalnya, chip berbasis karbon menggunakan proses 90 nanometer diharapkan menghasilkan chip berbasis silikon dengan kinerja dan integrasi yang setara dengan simpul teknologi 28-nanometer, dan chip berbasis karbon menggunakan proses 28 nanometer dapat mencapai silikon berbasis chip setara dengan node teknologi 7-nanometer.
Ma Yaobin, seorang peneliti di Institut Sirkuit Terpadu, CCID Think Tank, mengambil karbon nanotube sebagai contoh untuk menunjukkan kepada wartawan dari China ELECTRONICS News tentang keunggulan teknologi semikonduktor berbasis karbon. "CNT (karbon nanotube) memiliki mobilitas operator yang sangat tinggi, ukuran tubuh yang sangat tipis dan konduktivitas termal yang sangat baik. Dibandingkan dengan prosesor berbasis silikon, kecepatan operasi dan konsumsi energi prosesor berbasis CNFET dapat memiliki sekitar 3%. Keuntungannya Waktu, yaitu, keuntungan dari produk penundaan energi (EDP) sekitar 9 kali. " Ma Yaobin mengatakan kepada wartawan.
Penggunaan bahan graphene juga merupakan bukti kuat dari keunggulan semikonduktor berbasis karbon. Ma Yaobin menunjukkan kepada wartawan bahwa Graphene memiliki karakteristik yang sangat baik seperti mobilitas pembawa tinggi dan konduktivitas termal yang baik, yang memungkinkan transistor graphene untuk mendapatkan kecepatan transmisi sinyal tinggi dan disipasi panas yang baik. Di masa depan, Graphene diperkirakan akan memainkan peran penting dalam mewujudkan chip ukuran yang lebih kecil, interkoneksi paket 3D, dan mengoptimalkan pembuangan panas chip.
Dawn dari teknologi karbon nanotube
Bahkan, pengejaran dan eksplorasi bahan semikonduktor berbasis karbon tidak hanya dimulai dalam beberapa tahun terakhir. Teknologi karbon nanotube menggunakan bahan baru selalu menarik perhatian para ilmuwan yang tak terhitung jumlahnya. Pada tahun 1991, fisikawan Jepang Sumio IIJIMA, yang telah terpilih sebagai akademisi asing dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, secara tak terduga menemukan nanotube karbon ketika ia menggunakan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi untuk mengamati produk serat karbon yang dihasilkan oleh metode ARC. Menurut pengamatannya, nanotube karbon terbuat dari molekul karbon yang disusun dalam bentuk tubular, yang dapat dianggap sebagai lapisan tunggal grafit yang digulung menjadi "silinder", yang perlu disiapkan dari bahan karbon seperti batang grafit oleh spesial metode.
Pada Agustus 2019, hasil penelitian dari karbon nanotube sekali lagi membuat serangkaian karakter "Halo, dunia yang akrab untuk setiap programmer sensasi global. Sebuah makalah yang diterbitkan dalam jurnal Nature menunjukkan bahwa Max Shulaker dan rekan-rekannya di Institut Teknologi Massachusetts di Amerika Serikat berhasil merancang dan membangun mikroprosesor karbon nanotube. Mikroprosesor ini adalah mikroprosesor 16-bit yang diproduksi menggunakan lebih dari 14.000 transistor karbon nanotube (CNT). Metode desain dan manufakturnya mengatasi tantangan sebelumnya yang berkaitan dengan karbon nanotube dan diharapkan menjadi silikon di perangkat mikroelektronik canggih. Bawa alternatif berkinerja tinggi. Mikroprosesor ini dinamai "RV16X-NANO" dan berhasil mengeksekusi program dalam tes, menghasilkan pesan: "Halo, World! Saya rv16xnano, terbuat dari karbon nanotube."
Ma Yaobin mengatakan kepada wartawan bahwa para peneliti dari TSMC, Universitas Stanford dan University of California, San Diego juga telah secara bersama-sama mengembangkan CNFET Top-Gate (Transistor Efek Bidang Karbon Nanotube) dengan panjang gerbang 10nm dan Ayunan Subthreshold 68mV / Des.
Tahun lalu, tim akademisi Akademi Ilmu Pengetahuan Mandarin dan Profesor Departemen Elektronik Universitas Peking Peng Lianmao dan Profesor Zhang Zhang Zhiyong Hasil penelitian utama pada bahan semikonduktor berbasis karbon juga memberi industri harapan baru di era pasca-moor. . Pada tanggal 22 Mei 2020, tim menerbitkan sebuah makalah "array paralel karbon karbon semikonduktor kepadatan tinggi untuk elektronik berkinerja tinggi" di majalah sains, memperkenalkan pengembangan terbaru tim pemurnian dan metode perakitan diri yang dibatasi secara dimensi. Metode ini memecahkan masalah kemurnian material, kepadatan dan area yang telah lama melanda persiapan bahan semikonduktor berbasis karbon.
Kemajuan penelitian tentang semikonduktor berbasis karbon tidak selalu lancar berlayar. Setelah "ombak besar", penelitian di bidang ini oleh beberapa institusi dan perusahaan telah macet. Pada awal 2014, IBM membuat retorika tebal, mengatakan bahwa itu akan menggunakan nanotube karbon untuk menghasilkan chip 5 kali lebih cepat daripada pada tahun 2020, tetapi tidak ada kemajuan lebih lanjut dalam penelitian dan pengembangan.
Sirkuit berbasis karbon dan silikon perlu dikembangkan secara berbeda
Meskipun semikonduktor berbasis karbon diwakili oleh karbon nanotube dan graphene memiliki banyak keunggulan teknis dan potensi pasar jelas bagi semua, masih ada banyak kesulitan dalam kualitas tinggi, produksi massal dan aplikasi praktis dari semikonduktor berbasis karbon.
Tidak mudah untuk tabung karbon untuk membentuk film tipis untuk memproses sirkuit VLSI. Profesor Wan Qing dari School of Electronic Science dan Teknik Nanjing University menyatakan pendapatnya kepada reporter "China Electronics News": Jika itu adalah pertumbuhan arah langsung, sulit untuk mendapatkan film tabung karbon semikonduktor sempurna kepadatan tinggi; Untuk memenuhi kebutuhan teknologi sirkuit terintegrasi skala luas (12-inci) yang sangat besar, manufaktur massal dan hasil produk dapat menjadi tantangan.
Wan Qing percaya bahwa, meskipun satu perangkat berbasis karbon sudah baik-baik saja, dibandingkan dengan sirkuit terintegrasi silikon, semikonduktor berbasis karbon masih memiliki masalah tertentu dalam integrasi skala ultra-skala nano dan hasil industri. Dalam hal aplikasi sirkuit terpadu konvensional, sirkuit tabung karbon mungkin tidak dapat bersaing dengan sirkuit berbasis silikon saat ini, sehingga semikonduktor berbasis karbon mungkin memerlukan pengembangan yang berbeda. Di masa depan, diharapkan dapat menemukan jalan keluar di bidang baru seperti sistem penginderaan dan fleksibel.
Ma Yaobin mengatakan kepada wartawan bahwa persiapan batch kemurnian semikonduktor ultra-tinggi (99,9999%), in-line (sudut orientasi <9°), high density (100-200/μm), and large-area uniform CNT array film currently exists. Difficulties, which hinder the rapid application of CNFET in the field of integrated circuits. "In terms of purity, the current prepared CNTs will have the symbiosis phenomenon of semiconductors and metal CNTs, and the appearance of metal CNTs will cause serious degradation of the electrical performance of devices and chips." Ma Yaobin said.
Sejauh menyangkut Graphene, MA YAOBIN mengatakan bahwa fitur kesenjangan nol band dari graphene intrinsik membuat rasio saklar transistor graphene sangat kecil, yang juga akan membatasi penerapan semikonduktor berbasis karbon di sirkuit logika.
Dari "nilai ideal" laboratorium untuk aplikasi skala besar di pasar, jalan menuju industrialisasi semikonduktor berbasis karbon panjang dan sulit. Xu Zheng, seorang profesor di Sekolah Ilmu Universitas Beijing Jiaotong, mengatakan kepada reporter "China Electronics News" yang saat ini, bahan semikonduktor berbasis karbon telah mencapai sifat fisik, tetapi untuk membuat perangkat, mereka perlu menjalani banyak proses pemolesan. "Realisasi teknologi dan jaminan kinerja biaya adalah prasyarat untuk industrialisasi semikonduktor berbasis karbon." Terlepas dari kesulitan dan tantangan, Xu Zheng masih penuh harapan untuk masa depan semikonduktor berbasis karbon. "Jika tingkat pengembangan peralatan terkait ditingkatkan, industri semikonduktor berbasis karbon dapat dengan dukungan peralatan industri, dimungkinkan untuk semikonduktor berbasis karbon untuk mencapai pembangunan skala besar dan industri."
Dalam perjalanan panjang menangani semikonduktor berbasis karbon, industri perlu menumbuhkan keterampilan internal dan membentuk akumulasi teknologi sistematis. Beberapa hari yang lalu, tim Peng Lianmao akademician juga menyatakan kesediaan untuk melakukan hal-hal rendah untuk wartawan. Ini mungkin dapat menjelaskan dari sisi bahwa jika industri semikonduktor berbasis karbon akan mencapai pengembangan lebih lanjut, industri masih perlu berkonsentrasi pada penelitian dan pengembangan dan menjadi down-ke-earth.