科工力量：国产2nm芯片有望破冰 能弯道超车？

【文/科工力量专栏作者  铁流】

近日，中科院对外宣布，中国科学家研发出了新型垂直纳米环栅晶体管，这种新型晶体管被视为2nm及以下工艺的主要技术候选。之后，有媒体声称“中国CPU芯片将实现弯道超车 中科院表示国产2nm芯片有望破冰”。铁流认为，中科院这项技术突破值得庆贺，自川普卡脖子以来，国人确实也需要本土技术创新来鼓舞士气，但一些报道有点捧得太高了。从产业发展角度看，应当稳扎稳打，不宜过度吹捧。

个别媒体报道比较“热血” 但不太专业

在相关报道中，媒体称：“目前最为先进的芯片制造技术为7nm+Euv工艺制程，比较出名的就是华为的麒麟990 5G芯片，内置了超过100亿个晶体管。麒麟990首次将将5G Modem集成到SoC上，也是全球首款集成5G Soc，技术上的确实现了巨大突破，也是国产芯片里程碑式的意义。而继华为之后，中科院研发出了2nm及以下工艺所需要的新型晶体管……中科院的这项研究成果意义很大，这种新型垂直纳米环栅晶体管被视为2nm及以下工艺的主要技术候选，可能对国产芯片制造有巨大推动作用。如今在美国企业的逼迫下，国产企业推进自主可控已成为主流意识，市场空间将被进一步打开。相信在5年的时间内，在技术方面将实现全面突破”。

上述这段话看起来比较“热血”，比较能鼓舞人心，但内容上却不太专业。华为只是IC设计公司，就麒麟990来说，华为做的是SoC设计，CPU核为ARM的A76，GPU核为ARM的G76，工艺也是依靠台积电的7nm工艺，因而媒体报道中“继华为之后，中科院研发出了2nm及以下工艺所需要的新型晶体管”这种说法是有问题的。华为掌握的是SoC设计，而非制造工艺。

中科院自主研发的叠层垂直纳米环栅晶体管是实验室技术，这类技术国外也有，早在2016年，就有媒体报道美国劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队打破了物理极限，采用碳纳米管复合材料将现有最精尖的晶体管制程缩减到了1nm。

2017年Max教授再次于《自然》杂志发文提出单芯片上三维集成的计算和存储模型，也是在这篇文章中产生了石墨烯制造的碳纳米管3D芯片这一概念。Max教授表示：“与传统晶体管相比，碳纳米管体积更小，传导性也更强，并且能够支持快速开关，因此其性能和能耗表现也远远好于传统硅材料”。

Max教授于《自然》杂志发文提出单芯片上三维集成的计算和存储模型

然而，时至今日，碳纳米管依然只是PPT，根本就没有进入工业界。甚至连Max教授都不再谋求通过碳纳米管直接取代硅晶体管。原因就在于虽然碳纳米管具有硅晶体管所不具备的更优良的力学、化学和电学性能，但是产量、良率、电路的抗干扰能力、速度都存在很大的劣势。与造成的麻烦相比，碳纳米管带来的优势不值一提。

2017年论文中的碳纳米管3D芯片原理图和显微镜剖面图

对于这些实验室技术，媒体不宜见风就是雨，技术从实验室到工业界普及，有比较漫长的过程。而且实验室中诞生的很多技术，在发展的过程中中途夭折的也不少，不乏像美国1nm碳纳米管3D芯片的例子。中科院实验室取得的技术突破成果固然喜人，但媒体不宜过度拔高，仿佛能靠这个技术用3至5年就彻底摆脱西方技术掣肘，国内企业能够靠这个技术大跃进到2nm工艺。这种报道方式虽然“热血”，但并不可取。

指望非传统半导体材料和工艺弯道超车不切实际

当下，国内对于芯片有一种非常急迫的心情，领导很急、媒体很急、民众很急，在这种急切的心态下，舆论上总有一种“大跃进”心态，仿佛依靠几种新技术就能够实现弯道超车，然后不惧怕川普卡脖子。

然而，这种弯道超车的思路是不切实际的。首先，新材料新工艺并非没有，当下，桌面CPU、手机SoC等和老百姓接触最广的芯片普遍采用硅材料，这是第一代半导体材料。在技术上，半导体材料已经发展了3代，第二代材料以砷化镓为代表，第三代材料以氮化镓、碳化硅为代表。在明明能用第二代、第三代材料的情况下，为何还要依然使用硅材料呢？原因就是廉价好用，目前围绕现有工艺构筑的成熟产业生态，也限制了新材料、新工艺逆袭的可能性。既然硅材料已经能把性能做得不错，而且廉价，那么，为何要去用更加昂贵的材料呢？RF过去用过砷化镓，但不少厂家又用回硅材料，原因也是性能够用、廉价实惠。

工艺也是类似，事实上FinFET工艺与SOI工艺并非对立关系，两者能够互补，形成FinFET+SOI，比单独使用FinFET工艺或SOI工艺效果更好，那么，为何台积电、英特尔等厂家不这么做呢？原因就在于FinFET已经很不错了，而且廉价好用。

因此，将来即便出现了真正具有产业化潜力的新材料、新工艺，也未必会对现有的芯片材料和工艺造成革命，就如同自行车、汽车、高铁、客机之间不是取代关系，而是互补关系。

另外，由于芯片设计和制造结合得非常紧密，贸然在材料和工艺上“突进”，也会带来大问题。目前半导体制造中换个工艺或者制程，芯片的电路部分很可能就要重新设计。如果新工艺优化得不好或是芯片没有根据新工艺做足够的调整，新工艺流片的芯片性能和稳定性不如老工艺是完全有可能的。对于目前的芯片设计而言，半导体生产企业必须要把足够多的参数和数据提前提供并不断更新才能保证设计的正常进行，这一过程中需要做大量的实验，花费巨额的资金，对于新工艺而言还有完全失败的可能性。

同时随着半导体制造企业出于保护技术秘密，降低设计企业开发成本等因素，往往还会提供给设计企业封装好的工艺库和工具箱，甚至于连设计用的IDE都必须由半导体制造企业定制。新工艺如果没有足够多的优点和可靠的财力支持很有可能倒在颠覆半导体制造方式的征程上。

正是因此，对于弯道超车不宜抱过大的期望。我们一方面不放弃对先进技术方向的探索，另一方面也要在传统方向上一步一个脚印的追赶。

不久前，中芯国际表示，位于上海市浦东张江哈雷路的工厂已经开始量产14nm芯片，并开始研发12nm工艺。华虹集团总工程师赵宇航表示，集团14nmFinFET工艺全线贯通，SRAM良率超过25%，2020年将快速推进。

中芯国际14纳米级芯片提前一年实现量产   截图自《浦东时报》

2019年12月，武汉弘芯半导体举行了首台高端光刻机设备进厂仪式。弘芯半导体制造产业园是2018年武汉单个最大投资项目，位于临空港经济技术开发区临空港大道西侧，规划用地面积636亩，建筑面积65万平方米，总投资1280亿元。弘芯的CEO是台积电元老蒋尚义，主攻方向是14nm工艺和射频特种工艺。

相信在大陆三大晶圆厂的努力下，大陆掌握12/14nm工艺，只是时间问题。虽然在追赶台积电的道路上任重道远，但大陆企业将锲而不舍，负重前行。

（作者微信公众号 tieliu1888）

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