芯片的“脖子”卡在哪

“芯片設計之母”—— EDA

EDA（電子設計自動化）是電子設計的基石產業，在精密制造領域，更是精密器件生產、加工和測試的基礎。可以說，掌握了最優的EDA，就有了高端工業領域的主導權。

EDA 被稱為“芯片設計之母”，是利用計算機輔助設計軟件完成芯片的功能設計、綜合、驗證等流程的設計方式。EDA 是芯片產業的技術源頭，也是中國芯片產業結構中最薄弱的環節。

EDA 布局布線設計是其中重要一環，就像房屋裝修前，要讓各種家具家電、電線網絡布局在最合適的地方，做到既美觀又節省空間，還能完美互聯互通。這就需要一個最優的“施工圖”。芯片等精密器件只有指甲蓋大小，卻要加載百億個單元，相互聯結的線路更復雜，只能通過算法去設計最優“施工圖”實現。

在2021 年計算機輔助設計國際會議上，華中科技大學計算機學院呂志鵬教授團隊摘得電子設計自動化布局布線算法競賽全球冠軍。

圖7 呂志鵬教授（中）及其團隊成員（圖/長江云）

必須翻越的高峰——光刻機

光刻機是制造芯片最重要的設備之一，是迄今為止人類所能制造的最精密的裝備，被譽為集成電路產業鏈“皇冠上的明珠”。

光刻也被稱作“微影制程”，是將光罩上具有各種電子特性的區域圖即電路圖形，微縮并曝光成像在晶圓上，為流程中的后續步驟打好基礎。光刻機的投影物鏡被譽為成像光學的最高境界，其波像差需要控制到亞納米量級，甚至接近零像差，這對投影物鏡的生產、檢測與控制都提出了極為嚴苛的要求。

光刻機在工作時，需要工件臺和掩模臺在高速運動過程中始終保持幾納米的同步精度。

圖8 荷蘭ASML 是全球光刻機領域的龍頭企業 (圖/ASML)

能否靠“碳”超車

碳基芯片是基于納米碳材料晶體管制造的芯片，被認為是最有可能代替硅基芯片的次時代技術。

石墨烯和納米碳管特殊的幾何結構，使得電子在材料中的傳輸速度大大超出了目前的硅基材料。同時，納米碳結構中沒有金屬中那種可以導致原子運動的低能缺陷或位錯，使得其能承受的電流強度遠遠高出目前集成電路中銅互連能承受的電流上限，這些性質使得納米碳成為最理想的納米尺度的導電材料。

圖9 我國碳基半導體制備材料研制取得突破(圖/央視新聞網截圖)

我國科研團隊在10.16 厘米的基底上制備出密度高達每微米120 根、半導體純度超過99.999 9%的碳納米管平行陣列，并在此基礎上首次實現了性能超越同等柵長硅基CMOS 的晶體管和電路，成功突破了長期以來阻礙碳納米管電子學發展的瓶頸。

相比傳統硅基技術，碳基半導體具有成本低、功耗小、效率高的優勢，因此也被視為性能更好的半導體材料。與國外硅基技術制造的芯片相比，我國碳基技術制造的芯片在處理大數據時不僅速度更快，而且至少能節約30%左右的功耗。這或將使我國芯片制造行業在新賽道上突破“卡脖子”技術成為可能。