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Como os semicondutores baseados em carbono quebram?
Nos últimos meio século, a indústria de semicondutores vem seguindo a trajetória da lei de Moore para se desenvolver em alta velocidade. Hoje em dia, o método de melhorar o desempenho do chip simplesmente atualizando o processo não pode mais atender plenamente as necessidades dos tempos, e a indústria semicondutora entrou gradualmente a "Era Pós-Moore". O advento da era pós-Moore trouxe novas oportunidades de desenvolvimento para o desenvolvimento da indústria de circuitos integrados da China. China Notícias da Electronics lançou uma série de relatórios sobre "Explorando as tecnologias disruptivas de circuitos integrados na era pós-moore" para resolver as potenciais tecnologias disruptivas de circuitos integrados. Discuta o status de desenvolvimento, os problemas industriais e as perspectivas futuras de cada tecnologia.
Com o processo de fabricação de cavacos que se aproxima de 2 nanômetros, o potencial dos materiais de chips baseados em silício basicamente foi tocado, e não pode atender às necessidades do desenvolvimento futuro da indústria. O uso de novos materiais é reconhecido como uma solução fundamental para problemas de desempenho chip. Se a lei de Moore realmente falhar, chips baseados em silicone que estão gradualmente se aproximando dos limites físicos provavelmente estarão em uma situação em que não há como sair da dúvida. Neste caso, os semicondutores baseados em carbono serão o Salvador que nos mostrará a cena de "uma nova aldeia"? Nesta fase, como os semicondutores baseados em carbono podem sair da "sala de vidro" do laboratório e realmente perceber que seu potencial ainda é o foco de atenção e dificuldades enfrentadas pela indústria.
Semicondutores baseados em carbono têm vantagens únicas
Após a lei de Moore, a "Regra de Ouro" da indústria de semicondutores, o desempenho de chips de semicondutores baseados em silício duplicará a cada 18 a 24 meses. No entanto, como tamanhos de chip continuam a encolher, especialmente quando o nível de tecnologia de fabricação de chip insere no nó 5-nanômetro, o desenvolvimento de chips de silício começa a enfrentar muitas restrições físicas, e a indústria emergiu gradualmente "A lei de Moore está morta" e " A tecnologia baseada em silicone chegou ao fim ". E outras vistas. Os semicondutores baseados em carbono são considerados uma das tecnologias disruptivas na era pós-moore.
O semicondutor baseado em carbono é um material semicondutor desenvolvido com base em nanomateriais baseados em carbono, representados por nanotubos de carbono (CNT) e grafeno. O Relatório de Pesquisa ITRS ressaltou claramente que o foco futuro da pesquisa da indústria de semicondutores deve se concentrar na eletrônica baseada em carbono.
A fim de continuar a lei de Moore, os pesquisadores continuaram a explorar novos materiais e novas estruturas de dispositivos. Em comparação com a tecnologia tradicional baseada em silicone, que vantagens faz semicondutores baseados em carbono, que atraíram inúmeros pesquisadores científicos "competem"?
A equipe técnica do Instituto de Pesquisa Integrado Baseado em Carbono Beijing anteriormente disse ao repórter da "China Electronics News" que a tecnologia baseada em carbono tem melhor desempenho e menor consumo de energia do que a tecnologia baseada em silicone. Por exemplo, os chips baseados em carbono usando o processo de 90 nanômetros devem produzir chips baseados em silicone com desempenho e integração equivalentes ao nó de tecnologia de 28 nanômetros, e chips baseados em carbono usando o processo de 28 nanômetros podem atingir chips equivalentes ao nó de tecnologia de 7 nanômetros.
Ma Yaobin, um pesquisador do Instituto de Circuitos Integrados, o CCID Think Tank, levou os nanotubos de carbono como exemplo para mostrar aos repórteres da China Electronics News sobre as vantagens tecnológicas de semicondutores baseados em carbono. "CNT (Carbon Nanotube) tem mobilidade extremamente alta de portador, tamanho de corpo muito fino e excelente condutividade térmica. Comparado com os processadores baseados em silício, a velocidade de operação e o consumo de energia dos processadores baseados em CNFET podem ter cerca de 3%. A vantagem de dois Tempos, isto é, a vantagem do produto de atraso de energia (EDP) de cerca de 9 vezes ". Ma Yaobin disse aos repórteres.
O uso de materiais de grafeno também é uma forte prova das vantagens dos semicondutores baseados em carbono. Ma Yaobin apontou para os repórteres que o graphene tem excelentes características, como alta mobilidade de transportadora e boa condutividade térmica, que permite que os transistores de grafeno obtenham alta velocidade de transmissão de sinal e boa dissipação de calor. No futuro, é esperado que o grafeno desempenhe um papel importante na realização de chips de tamanho menor, interconexão do pacote 3D e otimizando a dissipação de calor de chips.
O alvorecer da tecnologia de nanotube de carbono
De fato, a perseguição das pessoas e a exploração de materiais semicondutores baseados em carbono não só começaram nos últimos anos. A tecnologia de nanotube de carbono usando novos materiais sempre atraiu a atenção de inúmeros cientistas. Em 1991, o físico japonês Sumio IIJIMA, que foi eleito como um acadêmico estrangeiro da Academia Chinesa de Ciências, descobriu inesperadamente nanotubos de carbono quando usou um microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução para observar produtos de fibra de carbono produzidos pelo método de arco. De acordo com suas observações, os nanotubos de carbono são feitos de moléculas de carbono dispostas em forma tubular, que pode ser considerada uma única camada de grafite enrolada em um "cilindro", que precisa ser preparado a partir de materiais de carbono, como hastes de grafite por um método.
Em agosto de 2019, um resultado de pesquisa de nanotubos de carbono mais uma vez fez a cadeia "Hello, World" de personagens familiares a todos os programadores uma sensação global. Um artigo publicado na revista Nature mostrou que Max Shulaker e seus colegas no Instituto de Tecnologia de Massachusetts nos Estados Unidos conseguiram projetar e construir um microprocessador de nanotubos de carbono. Este microprocessador é um microprocessador de 16 bits fabricado usando mais de 14.000 transistores de nanotubos de carbono (CNT). Seu método de design e fabricação supera os desafios anteriores relacionados aos nanotubos de carbono e deverá ser o silício em dispositivos microeletrônicos avançados. Trazer uma alternativa de alto desempenho. Este microprocessador foi nomeado "RV16x-Nano" e executou com sucesso um programa no teste, gerando uma mensagem: "Olá, mundo! Eu sou RV16xnano, feito de nanotubos de carbono".
Ma Yaobin disse a repórteres que os pesquisadores da TSMC, Stanford University e da Universidade da Califórnia, San Diego também desenvolveram conjuntamente um CNFET Top-Gate (Transistor de Efeito de Campo de Nanotubos de Carbono) com um comprimento de 10NM e um balanço subthold de 68mv / dec.
No ano passado, a equipe de acadêmicos da Academia Chinesa de Ciências e Professores do Departamento de Eletrônica da Universidade de Pequim Peng Lianmao e Professor Zhang Zhiyong Os principais resultados de pesquisa sobre materiais semicondutores de carbono também deu à indústria nova esperança na era pós-moor . Em 22 de maio de 2020, a equipe publicou um papel "semicondutor de alta densidade Carbon Nanotube matrizes paralelos para eletrônica de alto desempenho" na revista Science, introduzindo o mais recente desenvolvimento da equipe de múltiplos métodos de auto-montagem de purificação e dimensão. O método resolve os problemas de pureza de material, densidade e área que há muito atormentaram a preparação de materiais semicondutores à base de carbono.
O progresso da pesquisa sobre semicondutores baseados em carbono nem sempre é uma vela suave. Depois das "grandes ondas", a pesquisa nesse campo por algumas instituições e empresas parou. Já em 2014, a IBM fez a retórica ousada, dizendo que usaria nanotubos de carbono para produzir fichas 5 vezes mais rápido do que até 2020, mas não há mais progressos em pesquisa e desenvolvimento.
Circuitos baseados em carbono e baseados em silício precisam ser desenvolvidos de forma diferente
Embora semicondutores baseados em carbono representados por nanotubos de carbono e grafeno tenha muitas vantagens técnicas e o potencial de mercado é óbvio para todos, ainda há muitas dificuldades em produção de alta qualidade, massa-produção e prática de semicondutores baseados em carbono.
Não é fácil para os tubos de carbono formar filmes finos para processar circuitos VLSI. Professor Wan Qing da Escola de Ciência Eletrônica e Engenharia da Universidade de Nanjing expressou sua opinião para o repórter da "China Electronics News": Se é um crescimento direcional direto, é difícil obter um filme de tubo de carbono perfeito de alta densidade de semicondutores; Para atender às necessidades da tecnologia de circuito integrada de grande escala de nano-escala de grande área (de 12 polegadas), a fabricação de massa e o rendimento do produto podem se tornar desafios.
Wan Qing acredita que, embora um único dispositivo baseado em carbono já esteja indo bem, comparado com circuitos integrados em silício, os semicondutores baseados em carbono ainda têm certos problemas na integração de nano-escala e rendimento industrial de ultra-larga. Em termos de aplicações de circuito integradas convencionais, os circuitos de tubo de carbono podem não ser capazes de competir com circuitos baseados em silício no presente, portanto, semicondutores baseados em carbono podem precisar de desenvolvimento diferenciado. No futuro, espera-se encontrar uma saída em novos campos, como sensores e sistemas flexíveis.
Ma Yaobin disse aos repórteres que a preparação do lote de pureza de semicondutores ultra-alto (99,9999%), em linha (ângulo de orientação <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.
No que diz respeito à grafena, Ma Yaobin disse que a característica do gap da banda zero do grafeno intrínseco torna a taxa de chave transistor de grafeno muito pequena, o que também limitará a aplicação de semicondutores baseados em carbono em circuitos lógicos.
Do "valor ideal" do laboratório para a aplicação em larga escala no mercado, o caminho para a industrialização de semicondutores baseados em carbono é longo e difícil. Xu Zheng, professor da Escola de Ciência da Universidade de Beijing Jiaotong, disse ao repórter de "China Electronics News" que atualmente, os materiais semicondutores de carbono alcançaram propriedades físicas, mas para tornar os dispositivos, eles precisam passar por um monte de Polimento de processo. "A realização tecnológica e a garantia de desempenho de custos são os pré-requisitos para a industrialização de semicondutores baseados em carbono". Apesar das dificuldades e desafios, Xu Zheng ainda está cheio de esperança para o futuro dos semicondutores baseados em carbono. "Se o nível de desenvolvimento de equipamentos relacionados for melhorado, a indústria semicondutora baseada em carbono pode com o apoio de equipamentos industrializados, é possível para os semicondutores baseados em carbono atingir o desenvolvimento de grande escala e industrializados".
Na longa jornada de enfrentar semicondutores baseados em carbono, a indústria precisa cultivar habilidades internas e formar uma acumulação sistemática de tecnologia. Há alguns dias, a equipe do acadêmico Peng Lianmao também expressou a disposição de fazer as coisas baixas para os repórteres. Isso pode ser capaz de explicar do lado que, se a indústria semicondutora baseada em carbono for alcançar mais desenvolvimento, a indústria ainda precisa se concentrar em pesquisa e desenvolvimento e estar à terra.
Com o processo de fabricação de cavacos que se aproxima de 2 nanômetros, o potencial dos materiais de chips baseados em silício basicamente foi tocado, e não pode atender às necessidades do desenvolvimento futuro da indústria. O uso de novos materiais é reconhecido como uma solução fundamental para problemas de desempenho chip. Se a lei de Moore realmente falhar, chips baseados em silicone que estão gradualmente se aproximando dos limites físicos provavelmente estarão em uma situação em que não há como sair da dúvida. Neste caso, os semicondutores baseados em carbono serão o Salvador que nos mostrará a cena de "uma nova aldeia"? Nesta fase, como os semicondutores baseados em carbono podem sair da "sala de vidro" do laboratório e realmente perceber que seu potencial ainda é o foco de atenção e dificuldades enfrentadas pela indústria.
Semicondutores baseados em carbono têm vantagens únicas
Após a lei de Moore, a "Regra de Ouro" da indústria de semicondutores, o desempenho de chips de semicondutores baseados em silício duplicará a cada 18 a 24 meses. No entanto, como tamanhos de chip continuam a encolher, especialmente quando o nível de tecnologia de fabricação de chip insere no nó 5-nanômetro, o desenvolvimento de chips de silício começa a enfrentar muitas restrições físicas, e a indústria emergiu gradualmente "A lei de Moore está morta" e " A tecnologia baseada em silicone chegou ao fim ". E outras vistas. Os semicondutores baseados em carbono são considerados uma das tecnologias disruptivas na era pós-moore.
O semicondutor baseado em carbono é um material semicondutor desenvolvido com base em nanomateriais baseados em carbono, representados por nanotubos de carbono (CNT) e grafeno. O Relatório de Pesquisa ITRS ressaltou claramente que o foco futuro da pesquisa da indústria de semicondutores deve se concentrar na eletrônica baseada em carbono.
A fim de continuar a lei de Moore, os pesquisadores continuaram a explorar novos materiais e novas estruturas de dispositivos. Em comparação com a tecnologia tradicional baseada em silicone, que vantagens faz semicondutores baseados em carbono, que atraíram inúmeros pesquisadores científicos "competem"?
A equipe técnica do Instituto de Pesquisa Integrado Baseado em Carbono Beijing anteriormente disse ao repórter da "China Electronics News" que a tecnologia baseada em carbono tem melhor desempenho e menor consumo de energia do que a tecnologia baseada em silicone. Por exemplo, os chips baseados em carbono usando o processo de 90 nanômetros devem produzir chips baseados em silicone com desempenho e integração equivalentes ao nó de tecnologia de 28 nanômetros, e chips baseados em carbono usando o processo de 28 nanômetros podem atingir chips equivalentes ao nó de tecnologia de 7 nanômetros.
Ma Yaobin, um pesquisador do Instituto de Circuitos Integrados, o CCID Think Tank, levou os nanotubos de carbono como exemplo para mostrar aos repórteres da China Electronics News sobre as vantagens tecnológicas de semicondutores baseados em carbono. "CNT (Carbon Nanotube) tem mobilidade extremamente alta de portador, tamanho de corpo muito fino e excelente condutividade térmica. Comparado com os processadores baseados em silício, a velocidade de operação e o consumo de energia dos processadores baseados em CNFET podem ter cerca de 3%. A vantagem de dois Tempos, isto é, a vantagem do produto de atraso de energia (EDP) de cerca de 9 vezes ". Ma Yaobin disse aos repórteres.
O uso de materiais de grafeno também é uma forte prova das vantagens dos semicondutores baseados em carbono. Ma Yaobin apontou para os repórteres que o graphene tem excelentes características, como alta mobilidade de transportadora e boa condutividade térmica, que permite que os transistores de grafeno obtenham alta velocidade de transmissão de sinal e boa dissipação de calor. No futuro, é esperado que o grafeno desempenhe um papel importante na realização de chips de tamanho menor, interconexão do pacote 3D e otimizando a dissipação de calor de chips.
O alvorecer da tecnologia de nanotube de carbono
De fato, a perseguição das pessoas e a exploração de materiais semicondutores baseados em carbono não só começaram nos últimos anos. A tecnologia de nanotube de carbono usando novos materiais sempre atraiu a atenção de inúmeros cientistas. Em 1991, o físico japonês Sumio IIJIMA, que foi eleito como um acadêmico estrangeiro da Academia Chinesa de Ciências, descobriu inesperadamente nanotubos de carbono quando usou um microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução para observar produtos de fibra de carbono produzidos pelo método de arco. De acordo com suas observações, os nanotubos de carbono são feitos de moléculas de carbono dispostas em forma tubular, que pode ser considerada uma única camada de grafite enrolada em um "cilindro", que precisa ser preparado a partir de materiais de carbono, como hastes de grafite por um método.
Em agosto de 2019, um resultado de pesquisa de nanotubos de carbono mais uma vez fez a cadeia "Hello, World" de personagens familiares a todos os programadores uma sensação global. Um artigo publicado na revista Nature mostrou que Max Shulaker e seus colegas no Instituto de Tecnologia de Massachusetts nos Estados Unidos conseguiram projetar e construir um microprocessador de nanotubos de carbono. Este microprocessador é um microprocessador de 16 bits fabricado usando mais de 14.000 transistores de nanotubos de carbono (CNT). Seu método de design e fabricação supera os desafios anteriores relacionados aos nanotubos de carbono e deverá ser o silício em dispositivos microeletrônicos avançados. Trazer uma alternativa de alto desempenho. Este microprocessador foi nomeado "RV16x-Nano" e executou com sucesso um programa no teste, gerando uma mensagem: "Olá, mundo! Eu sou RV16xnano, feito de nanotubos de carbono".
Ma Yaobin disse a repórteres que os pesquisadores da TSMC, Stanford University e da Universidade da Califórnia, San Diego também desenvolveram conjuntamente um CNFET Top-Gate (Transistor de Efeito de Campo de Nanotubos de Carbono) com um comprimento de 10NM e um balanço subthold de 68mv / dec.
No ano passado, a equipe de acadêmicos da Academia Chinesa de Ciências e Professores do Departamento de Eletrônica da Universidade de Pequim Peng Lianmao e Professor Zhang Zhiyong Os principais resultados de pesquisa sobre materiais semicondutores de carbono também deu à indústria nova esperança na era pós-moor . Em 22 de maio de 2020, a equipe publicou um papel "semicondutor de alta densidade Carbon Nanotube matrizes paralelos para eletrônica de alto desempenho" na revista Science, introduzindo o mais recente desenvolvimento da equipe de múltiplos métodos de auto-montagem de purificação e dimensão. O método resolve os problemas de pureza de material, densidade e área que há muito atormentaram a preparação de materiais semicondutores à base de carbono.
O progresso da pesquisa sobre semicondutores baseados em carbono nem sempre é uma vela suave. Depois das "grandes ondas", a pesquisa nesse campo por algumas instituições e empresas parou. Já em 2014, a IBM fez a retórica ousada, dizendo que usaria nanotubos de carbono para produzir fichas 5 vezes mais rápido do que até 2020, mas não há mais progressos em pesquisa e desenvolvimento.
Circuitos baseados em carbono e baseados em silício precisam ser desenvolvidos de forma diferente
Embora semicondutores baseados em carbono representados por nanotubos de carbono e grafeno tenha muitas vantagens técnicas e o potencial de mercado é óbvio para todos, ainda há muitas dificuldades em produção de alta qualidade, massa-produção e prática de semicondutores baseados em carbono.
Não é fácil para os tubos de carbono formar filmes finos para processar circuitos VLSI. Professor Wan Qing da Escola de Ciência Eletrônica e Engenharia da Universidade de Nanjing expressou sua opinião para o repórter da "China Electronics News": Se é um crescimento direcional direto, é difícil obter um filme de tubo de carbono perfeito de alta densidade de semicondutores; Para atender às necessidades da tecnologia de circuito integrada de grande escala de nano-escala de grande área (de 12 polegadas), a fabricação de massa e o rendimento do produto podem se tornar desafios.
Wan Qing acredita que, embora um único dispositivo baseado em carbono já esteja indo bem, comparado com circuitos integrados em silício, os semicondutores baseados em carbono ainda têm certos problemas na integração de nano-escala e rendimento industrial de ultra-larga. Em termos de aplicações de circuito integradas convencionais, os circuitos de tubo de carbono podem não ser capazes de competir com circuitos baseados em silício no presente, portanto, semicondutores baseados em carbono podem precisar de desenvolvimento diferenciado. No futuro, espera-se encontrar uma saída em novos campos, como sensores e sistemas flexíveis.
Ma Yaobin disse aos repórteres que a preparação do lote de pureza de semicondutores ultra-alto (99,9999%), em linha (ângulo de orientação <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.
No que diz respeito à grafena, Ma Yaobin disse que a característica do gap da banda zero do grafeno intrínseco torna a taxa de chave transistor de grafeno muito pequena, o que também limitará a aplicação de semicondutores baseados em carbono em circuitos lógicos.
Do "valor ideal" do laboratório para a aplicação em larga escala no mercado, o caminho para a industrialização de semicondutores baseados em carbono é longo e difícil. Xu Zheng, professor da Escola de Ciência da Universidade de Beijing Jiaotong, disse ao repórter de "China Electronics News" que atualmente, os materiais semicondutores de carbono alcançaram propriedades físicas, mas para tornar os dispositivos, eles precisam passar por um monte de Polimento de processo. "A realização tecnológica e a garantia de desempenho de custos são os pré-requisitos para a industrialização de semicondutores baseados em carbono". Apesar das dificuldades e desafios, Xu Zheng ainda está cheio de esperança para o futuro dos semicondutores baseados em carbono. "Se o nível de desenvolvimento de equipamentos relacionados for melhorado, a indústria semicondutora baseada em carbono pode com o apoio de equipamentos industrializados, é possível para os semicondutores baseados em carbono atingir o desenvolvimento de grande escala e industrializados".
Na longa jornada de enfrentar semicondutores baseados em carbono, a indústria precisa cultivar habilidades internas e formar uma acumulação sistemática de tecnologia. Há alguns dias, a equipe do acadêmico Peng Lianmao também expressou a disposição de fazer as coisas baixas para os repórteres. Isso pode ser capaz de explicar do lado que, se a indústria semicondutora baseada em carbono for alcançar mais desenvolvimento, a indústria ainda precisa se concentrar em pesquisa e desenvolvimento e estar à terra.