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Come si rompono i semiconduttori a base di carbonio?
Negli ultimi secoli secolo, l'industria dei semiconduttori ha seguito la traiettoria della legge di Moore a svilupparsi ad alta velocità. Al giorno d'oggi, il metodo di miglioramento delle prestazioni dei chip semplicemente aggiornando il processo non può più soddisfare pienamente le esigenze dei tempi, e l'industria dei semiconduttori è stata gradualmente inserita nell'epoca post-moore ". L'avvento dell'era post-moore ha portato nuove opportunità di sviluppo per lo sviluppo dell'industria del circuito integrato della Cina. China Electronics News ha lanciato una serie di rapporti su "Esplorare le tecnologie dirompenti dei circuiti integrati nell'era post-moore" per risolvere le potenziali tecnologie dirompenti dei circuiti integrati. Discutere lo stato di sviluppo, i problemi industriali e le prospettive future di ciascuna tecnologia.
Con il processo di produzione dei trucioli che si avvicina a 2 nanometri, il potenziale dei materiali chip a base di silicio è stato sostanzialmente sfruttato, e non può soddisfare le esigenze del futuro sviluppo del settore. L'uso di nuovi materiali è riconosciuto come soluzione fondamentale per i problemi di prestazione dei trucioli. Se la legge di Moore fallisce veramente, è probabile che i chip basati sul silicio che stiano affrontando gradualmente i limiti fisici siano in una situazione in cui non c'è modo di uscire dal dubbio. In questo caso, i semiconduttori basati sul carbonio saranno il Salvatore che ci mostrerà la scena di "un nuovo villaggio"? In questa fase, come i semiconduttori a base di carbonio possono uscire dalla "stanza del vetro" del laboratorio e realizzare veramente il loro potenziale è ancora il focus dell'attenzione e delle difficoltà affrontati dal settore.
I semiconduttori a base di carbonio hanno vantaggi unici
Dopo la legge di Moore, la "regola d'oro" del settore dei semiconduttori, la performance dei chip di semiconduttore a base di silicio raddoppierà ogni 18-24 mesi. Tuttavia, poiché le dimensioni dei chip continuano a restringere, soprattutto quando il livello di tecnologia di produzione dei trucioli entra nel nodo a 5 nanometri, lo sviluppo di chip di silicio inizia ad affrontare molti vincoli fisici, e l'industria è gradualmente emersa "La legge di Moore è morta" e " La tecnologia a base di silicio è finita. " E altre viste. I semiconduttori a base di carbonio sono considerati una delle tecnologie dirompenti nell'era post-moore.
Il semiconduttore a base di carbonio è un materiale semiconduttore sviluppato sulla base di nanomateriali a base di carbonio, rappresentato da nanotubi di carbonio (CNT) e grafene. Il rapporto di ricerca ITRS ha chiaramente sottolineato che il futuro obiettivo di ricerca del settore dei semiconduttori dovrebbe concentrarsi sull'elettronica a base di carbonio.
Per continuare la legge di Moore, i ricercatori hanno continuato a esplorare nuovi materiali e nuove strutture del dispositivo. Rispetto alla tradizionale tecnologia basata sul silicio, quali vantaggi comportano i semiconduttori a base di carbonio, che hanno attratto innumerevoli ricercatori scientifici "competere"?
Lo staff tecnico dell'istituto di ricerca del circuito integrato a base di carbonio Pechino ha precedentemente detto al giornalista di "China Electronics News" che la tecnologia basata su carbonio ha prestazioni migliori e un minor consumo di energia rispetto alla tecnologia basata sul silicio. Ad esempio, chips a base di carbonio utilizzando il processo di 90 nanometri per produrre chip a base di silicio con prestazioni e integrazione equivalente al nodo tecnologico da 28 nanometri e chip a base di carbonio utilizzando il processo di 28 nanometri può raggiungere il silicio Chip equivalenti al nodo tecnologico a 7 nanometri.
Ma Yaobin, un ricercatore presso l'Istituto dei circuiti integrati, CCID Think Tank, ha preso nanotubi di carbonio come esempio per mostrare ai giornalisti dalla Cina Electronics News sui vantaggi tecnologici dei semiconduttori a base di carbonio. "CNT (Carbon Nanotube) ha mobilità estremamente elevata, dimensioni del corpo molto sottile e eccellente conduttività termica. Rispetto ai processori basati su silicone, la velocità operativa e il consumo di energia dei processori basati su CNFET possono entrambi avere circa il 3%. Il vantaggio di due volte, cioè il vantaggio del prodotto di ritardo energetico (EDP) di circa 9 volte. " Ma Yaobin ha detto ai giornalisti.
L'uso di materiali grafene è anche una forte prova dei vantaggi dei semiconduttori a base di carbonio. Ma Yaobin ha sottolineato ai giornalisti che Grafene ha caratteristiche eccellenti come la mobilità ad alto portatore e una buona conduttività termica, che consente a transistor grafene di ottenere una velocità di trasmissione ad alta trasmissione del segnale e una buona dissipazione del calore. In futuro, il Grafene dovrebbe svolgere un ruolo importante nella realizzazione di chip di dimensioni più piccole, interconnessione del pacchetto 3D e ottimizzazione della dissipazione del calore del chip.
L'alba della tecnologia del carbonio nanotubi
In effetti, il perseguimento delle persone e l'esplorazione dei materiali semiconduttori a base di carbonio non sono solo iniziati negli ultimi anni. La tecnologia del Nanotube di carbonio che utilizza nuovi materiali ha sempre attirato l'attenzione di innumerevoli scienziati. Nel 1991, il fisico giapponese Sumio Iijima, che è stato eletto come accademico straniero dell'Accademia cinese delle scienze, inaspettatamente scoperte nanotubi di carbonio quando ha utilizzato un microscopio di elettroni di trasmissione ad alta risoluzione per osservare i prodotti in fibra di carbonio prodotti dal metodo ARC. Secondo le sue osservazioni, i nanotubi di carbonio sono fatti di molecole di carbonio disposte in una forma tubolare, che possono essere considerate come un singolo strato di grafite rotolate in un "cilindro", che deve essere preparato da materiali di carbonio come aste di grafite da uno speciale metodo.
Nell'agosto 2019, un risultato di ricerca dei nanotubi di carbonio ancora una volta ha reso la serie "ciao, mondo" di personaggi familiarità per ogni programmatore una sensazione globale. Un documento pubblicato sulla rivista Nature ha dimostrato che il Max Shulaker e i suoi colleghi del Massachusetts Institute of Technology negli Stati Uniti sono riusciti a progettare e costruire un microprocessore del nanotubo di carbonio. Questo microprocessore è un microprocessore a 16 bit fabbricato utilizzando oltre 14.000 transistor di carbonio nanotubi (CNT). Il suo metodo di progettazione e produzione supera le precedenti sfide relative a nanotubi di carbonio e dovrebbe essere il silicio in dispositivi microelettronici avanzati. Portare un'alternativa ad alte prestazioni. Questo microprocessore è stato denominato "RV16x-Nano" e ha eseguito con successo un programma nel test, generando un messaggio: "Ciao, mondo! Sono rv16xnano, fatto di nanotubi di carbonio".
Ma Yaobin ha detto ai giornalisti che i ricercatori di TSMC, Stanford University e dell'Università della California, San Diego hanno anche sviluppato congiuntamente un Top-Gate CNFET (Transistore effetto campo di carbonio nanotubi) con una lunghezza del cancello di 10nm e un swershold swing di 68mv / dec.
L'anno scorso, il team di accademici dell'Accademia cinese delle scienze e dei professori del Dipartimento di Elettronica dell'Università di Pechino Peng Lianmao e dei principali risultati di ricerca di Zhang Zhiyong sui materiali semiconduttori basati sul carbonio hanno anche dato al settore la nuova speranza nell'era post-moro . Il 22 maggio 2020, il team ha pubblicato un documento "Array paralleli di carbonio a semiconduttore ad alta densità per elettronica ad alte prestazioni" in Science Magazine, introducendo l'ultimo sviluppo del team di più metodi di autoassemblaggio di depurazione e dimensione. Il metodo risolve i problemi della purezza del materiale, la densità e l'area che hanno molto afflitto la preparazione dei materiali semiconduttori a base di carbonio.
Il progresso della ricerca sui semiconduttori a base di carbonio non è sempre una navigazione liscia. Dopo le "Big Waves", la ricerca in questo campo da alcune istituzioni e aziende è stata bloccata. Già nel 2014, IBM ha fatto audace retorica, dicendo che userebbe nanotubi di carbonio per produrre chips 5 volte più veloce di allora entro il 2020, ma non ci sono ulteriori progressi nella ricerca e nello sviluppo.
I circuiti a base di carbonio e basati sul silicio devono essere sviluppati in modo diverso
Sebbene i semiconduttori a base di carbonio rappresentati da nanotubi di carbonio e grafene hanno molti vantaggi tecnici e il potenziale di mercato è ovvio a tutti, ci sono ancora molte difficoltà in alta qualità, produzione di massa e applicazione pratica dei semiconduttori basati sul carbonio.
Non è facile per i tubi di carbonio formano film sottili per l'elaborazione di circuiti VLSI. Il professor Wan Qing della Scuola di Scienza Elettronica e Ingegneria dell'Università di Nanjing ha espresso la sua opinione al reporter di "China Electronics News": se è una crescita diretta direzionale, è difficile ottenere un film per tubi a semiconduttore perfetto ad alta densità; Per soddisfare le esigenze della tecnologia integrata integrata integrata di grandi dimensioni (12 pollici) di grandi dimensioni, la produzione di massa e la resa del prodotto possono diventare sfide.
Wan Qing ritiene che, sebbene un singolo dispositivo a base di carbonio stia già bene, rispetto ai circuiti integrati del silicio, i semiconduttori a base di carbonio hanno ancora alcuni problemi in integrazione ultra-su larga scala nanople e rendimento industriale. In termini di applicazioni circuitali integrate convenzionali, i circuiti del tubo di carbonio potrebbero non essere in grado di competere con i circuiti basati su silicio al momento, quindi i semiconduttori a base di carbonio potrebbero richiedere uno sviluppo differenziato. In futuro, dovrebbe trovare una via d'uscita in nuovi campi come sistemi di rilevamento e flessibili.
Ma Yaobin ha detto ai giornalisti che la preparazione del lotto di purezza semiconduttore ultra-alta (99,9999%), in linea (angolo di orientamento <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.
Per quanto riguarda il grafene, Ma Yaobin ha affermato che la caratteristica di gap a banda zero del grafene intrinseco rende molto piccolo il rapporto del transistor del grafene, che limiterà anche l'applicazione dei semiconduttori a carbonio nei circuiti logici.
Dal "valore ideale" del laboratorio alla domanda su larga scala del mercato, la strada per l'industrializzazione dei semiconduttori a base di carbonio è lunga e difficile. Xu Zheng, un professore presso la Scuola della Scienza della Scienza dell'Università di Pechino Jiaotong, ha detto al giornalista di "Notizie sulla Cina Electronics" che al momento, i materiali semiconduttori basati sul carbonio hanno ottenuto proprietà fisiche, ma per rendere i dispositivi, hanno bisogno di subire molto lucidatura del processo. "La realizzazione della tecnologia e la garanzia delle prestazioni dei costi sono i prerequisiti per l'industrializzazione dei semiconduttori a base di carbonio." Nonostante le difficoltà e le sfide, Xu Zheng è ancora piena di speranza per il futuro dei semiconduttori a base di carbonio. "Se il livello di sviluppo delle apparecchiature correlato è migliorato, l'industria dei semiconduttori basata sul carbonio può con il supporto di attrezzature industrializzate, è possibile per i semiconduttori a base di carbonio per ottenere uno sviluppo su larga scala e industrializzato."
Nel lungo viaggio di affrontare i semiconduttori basati sul carbonio, il settore ha bisogno di coltivare le abilità interne e formare un accumulo sistematico di tecnologia. Pochi giorni fa, il team Academica Peng Lianmao ha anche espresso la volontà di fare le cose a basso tasto dei giornalisti. Ciò potrebbe essere in grado di spiegare dal lato che se l'industria dei semiconduttori basata sul carbonio è di raggiungere ulteriori sviluppi, l'industria ha ancora bisogno di concentrarsi sulla ricerca e lo sviluppo ed essere down-to-earth.
Con il processo di produzione dei trucioli che si avvicina a 2 nanometri, il potenziale dei materiali chip a base di silicio è stato sostanzialmente sfruttato, e non può soddisfare le esigenze del futuro sviluppo del settore. L'uso di nuovi materiali è riconosciuto come soluzione fondamentale per i problemi di prestazione dei trucioli. Se la legge di Moore fallisce veramente, è probabile che i chip basati sul silicio che stiano affrontando gradualmente i limiti fisici siano in una situazione in cui non c'è modo di uscire dal dubbio. In questo caso, i semiconduttori basati sul carbonio saranno il Salvatore che ci mostrerà la scena di "un nuovo villaggio"? In questa fase, come i semiconduttori a base di carbonio possono uscire dalla "stanza del vetro" del laboratorio e realizzare veramente il loro potenziale è ancora il focus dell'attenzione e delle difficoltà affrontati dal settore.
I semiconduttori a base di carbonio hanno vantaggi unici
Dopo la legge di Moore, la "regola d'oro" del settore dei semiconduttori, la performance dei chip di semiconduttore a base di silicio raddoppierà ogni 18-24 mesi. Tuttavia, poiché le dimensioni dei chip continuano a restringere, soprattutto quando il livello di tecnologia di produzione dei trucioli entra nel nodo a 5 nanometri, lo sviluppo di chip di silicio inizia ad affrontare molti vincoli fisici, e l'industria è gradualmente emersa "La legge di Moore è morta" e " La tecnologia a base di silicio è finita. " E altre viste. I semiconduttori a base di carbonio sono considerati una delle tecnologie dirompenti nell'era post-moore.
Il semiconduttore a base di carbonio è un materiale semiconduttore sviluppato sulla base di nanomateriali a base di carbonio, rappresentato da nanotubi di carbonio (CNT) e grafene. Il rapporto di ricerca ITRS ha chiaramente sottolineato che il futuro obiettivo di ricerca del settore dei semiconduttori dovrebbe concentrarsi sull'elettronica a base di carbonio.
Per continuare la legge di Moore, i ricercatori hanno continuato a esplorare nuovi materiali e nuove strutture del dispositivo. Rispetto alla tradizionale tecnologia basata sul silicio, quali vantaggi comportano i semiconduttori a base di carbonio, che hanno attratto innumerevoli ricercatori scientifici "competere"?
Lo staff tecnico dell'istituto di ricerca del circuito integrato a base di carbonio Pechino ha precedentemente detto al giornalista di "China Electronics News" che la tecnologia basata su carbonio ha prestazioni migliori e un minor consumo di energia rispetto alla tecnologia basata sul silicio. Ad esempio, chips a base di carbonio utilizzando il processo di 90 nanometri per produrre chip a base di silicio con prestazioni e integrazione equivalente al nodo tecnologico da 28 nanometri e chip a base di carbonio utilizzando il processo di 28 nanometri può raggiungere il silicio Chip equivalenti al nodo tecnologico a 7 nanometri.
Ma Yaobin, un ricercatore presso l'Istituto dei circuiti integrati, CCID Think Tank, ha preso nanotubi di carbonio come esempio per mostrare ai giornalisti dalla Cina Electronics News sui vantaggi tecnologici dei semiconduttori a base di carbonio. "CNT (Carbon Nanotube) ha mobilità estremamente elevata, dimensioni del corpo molto sottile e eccellente conduttività termica. Rispetto ai processori basati su silicone, la velocità operativa e il consumo di energia dei processori basati su CNFET possono entrambi avere circa il 3%. Il vantaggio di due volte, cioè il vantaggio del prodotto di ritardo energetico (EDP) di circa 9 volte. " Ma Yaobin ha detto ai giornalisti.
L'uso di materiali grafene è anche una forte prova dei vantaggi dei semiconduttori a base di carbonio. Ma Yaobin ha sottolineato ai giornalisti che Grafene ha caratteristiche eccellenti come la mobilità ad alto portatore e una buona conduttività termica, che consente a transistor grafene di ottenere una velocità di trasmissione ad alta trasmissione del segnale e una buona dissipazione del calore. In futuro, il Grafene dovrebbe svolgere un ruolo importante nella realizzazione di chip di dimensioni più piccole, interconnessione del pacchetto 3D e ottimizzazione della dissipazione del calore del chip.
L'alba della tecnologia del carbonio nanotubi
In effetti, il perseguimento delle persone e l'esplorazione dei materiali semiconduttori a base di carbonio non sono solo iniziati negli ultimi anni. La tecnologia del Nanotube di carbonio che utilizza nuovi materiali ha sempre attirato l'attenzione di innumerevoli scienziati. Nel 1991, il fisico giapponese Sumio Iijima, che è stato eletto come accademico straniero dell'Accademia cinese delle scienze, inaspettatamente scoperte nanotubi di carbonio quando ha utilizzato un microscopio di elettroni di trasmissione ad alta risoluzione per osservare i prodotti in fibra di carbonio prodotti dal metodo ARC. Secondo le sue osservazioni, i nanotubi di carbonio sono fatti di molecole di carbonio disposte in una forma tubolare, che possono essere considerate come un singolo strato di grafite rotolate in un "cilindro", che deve essere preparato da materiali di carbonio come aste di grafite da uno speciale metodo.
Nell'agosto 2019, un risultato di ricerca dei nanotubi di carbonio ancora una volta ha reso la serie "ciao, mondo" di personaggi familiarità per ogni programmatore una sensazione globale. Un documento pubblicato sulla rivista Nature ha dimostrato che il Max Shulaker e i suoi colleghi del Massachusetts Institute of Technology negli Stati Uniti sono riusciti a progettare e costruire un microprocessore del nanotubo di carbonio. Questo microprocessore è un microprocessore a 16 bit fabbricato utilizzando oltre 14.000 transistor di carbonio nanotubi (CNT). Il suo metodo di progettazione e produzione supera le precedenti sfide relative a nanotubi di carbonio e dovrebbe essere il silicio in dispositivi microelettronici avanzati. Portare un'alternativa ad alte prestazioni. Questo microprocessore è stato denominato "RV16x-Nano" e ha eseguito con successo un programma nel test, generando un messaggio: "Ciao, mondo! Sono rv16xnano, fatto di nanotubi di carbonio".
Ma Yaobin ha detto ai giornalisti che i ricercatori di TSMC, Stanford University e dell'Università della California, San Diego hanno anche sviluppato congiuntamente un Top-Gate CNFET (Transistore effetto campo di carbonio nanotubi) con una lunghezza del cancello di 10nm e un swershold swing di 68mv / dec.
L'anno scorso, il team di accademici dell'Accademia cinese delle scienze e dei professori del Dipartimento di Elettronica dell'Università di Pechino Peng Lianmao e dei principali risultati di ricerca di Zhang Zhiyong sui materiali semiconduttori basati sul carbonio hanno anche dato al settore la nuova speranza nell'era post-moro . Il 22 maggio 2020, il team ha pubblicato un documento "Array paralleli di carbonio a semiconduttore ad alta densità per elettronica ad alte prestazioni" in Science Magazine, introducendo l'ultimo sviluppo del team di più metodi di autoassemblaggio di depurazione e dimensione. Il metodo risolve i problemi della purezza del materiale, la densità e l'area che hanno molto afflitto la preparazione dei materiali semiconduttori a base di carbonio.
Il progresso della ricerca sui semiconduttori a base di carbonio non è sempre una navigazione liscia. Dopo le "Big Waves", la ricerca in questo campo da alcune istituzioni e aziende è stata bloccata. Già nel 2014, IBM ha fatto audace retorica, dicendo che userebbe nanotubi di carbonio per produrre chips 5 volte più veloce di allora entro il 2020, ma non ci sono ulteriori progressi nella ricerca e nello sviluppo.
I circuiti a base di carbonio e basati sul silicio devono essere sviluppati in modo diverso
Sebbene i semiconduttori a base di carbonio rappresentati da nanotubi di carbonio e grafene hanno molti vantaggi tecnici e il potenziale di mercato è ovvio a tutti, ci sono ancora molte difficoltà in alta qualità, produzione di massa e applicazione pratica dei semiconduttori basati sul carbonio.
Non è facile per i tubi di carbonio formano film sottili per l'elaborazione di circuiti VLSI. Il professor Wan Qing della Scuola di Scienza Elettronica e Ingegneria dell'Università di Nanjing ha espresso la sua opinione al reporter di "China Electronics News": se è una crescita diretta direzionale, è difficile ottenere un film per tubi a semiconduttore perfetto ad alta densità; Per soddisfare le esigenze della tecnologia integrata integrata integrata di grandi dimensioni (12 pollici) di grandi dimensioni, la produzione di massa e la resa del prodotto possono diventare sfide.
Wan Qing ritiene che, sebbene un singolo dispositivo a base di carbonio stia già bene, rispetto ai circuiti integrati del silicio, i semiconduttori a base di carbonio hanno ancora alcuni problemi in integrazione ultra-su larga scala nanople e rendimento industriale. In termini di applicazioni circuitali integrate convenzionali, i circuiti del tubo di carbonio potrebbero non essere in grado di competere con i circuiti basati su silicio al momento, quindi i semiconduttori a base di carbonio potrebbero richiedere uno sviluppo differenziato. In futuro, dovrebbe trovare una via d'uscita in nuovi campi come sistemi di rilevamento e flessibili.
Ma Yaobin ha detto ai giornalisti che la preparazione del lotto di purezza semiconduttore ultra-alta (99,9999%), in linea (angolo di orientamento <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.
Per quanto riguarda il grafene, Ma Yaobin ha affermato che la caratteristica di gap a banda zero del grafene intrinseco rende molto piccolo il rapporto del transistor del grafene, che limiterà anche l'applicazione dei semiconduttori a carbonio nei circuiti logici.
Dal "valore ideale" del laboratorio alla domanda su larga scala del mercato, la strada per l'industrializzazione dei semiconduttori a base di carbonio è lunga e difficile. Xu Zheng, un professore presso la Scuola della Scienza della Scienza dell'Università di Pechino Jiaotong, ha detto al giornalista di "Notizie sulla Cina Electronics" che al momento, i materiali semiconduttori basati sul carbonio hanno ottenuto proprietà fisiche, ma per rendere i dispositivi, hanno bisogno di subire molto lucidatura del processo. "La realizzazione della tecnologia e la garanzia delle prestazioni dei costi sono i prerequisiti per l'industrializzazione dei semiconduttori a base di carbonio." Nonostante le difficoltà e le sfide, Xu Zheng è ancora piena di speranza per il futuro dei semiconduttori a base di carbonio. "Se il livello di sviluppo delle apparecchiature correlato è migliorato, l'industria dei semiconduttori basata sul carbonio può con il supporto di attrezzature industrializzate, è possibile per i semiconduttori a base di carbonio per ottenere uno sviluppo su larga scala e industrializzato."
Nel lungo viaggio di affrontare i semiconduttori basati sul carbonio, il settore ha bisogno di coltivare le abilità interne e formare un accumulo sistematico di tecnologia. Pochi giorni fa, il team Academica Peng Lianmao ha anche espresso la volontà di fare le cose a basso tasto dei giornalisti. Ciò potrebbe essere in grado di spiegare dal lato che se l'industria dei semiconduttori basata sul carbonio è di raggiungere ulteriori sviluppi, l'industria ha ancora bisogno di concentrarsi sulla ricerca e lo sviluppo ed essere down-to-earth.