芯片的“脖子”卡在哪

“芯片設(shè)計(jì)之母”—— EDA

EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）是電子設(shè)計(jì)的基石產(chǎn)業(yè)，在精密制造領(lǐng)域，更是精密器件生產(chǎn)、加工和測(cè)試的基礎(chǔ)。可以說，掌握了最優(yōu)的EDA，就有了高端工業(yè)領(lǐng)域的主導(dǎo)權(quán)。

EDA 被稱為“芯片設(shè)計(jì)之母”，是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件完成芯片的功能設(shè)計(jì)、綜合、驗(yàn)證等流程的設(shè)計(jì)方式。EDA 是芯片產(chǎn)業(yè)的技術(shù)源頭，也是中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)。

EDA 布局布線設(shè)計(jì)是其中重要一環(huán)，就像房屋裝修前，要讓各種家具家電、電線網(wǎng)絡(luò)布局在最合適的地方，做到既美觀又節(jié)省空間，還能完美互聯(lián)互通。這就需要一個(gè)最優(yōu)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(gè)單元，相互聯(lián)結(jié)的線路更復(fù)雜，只能通過算法去設(shè)計(jì)最優(yōu)“施工圖”實(shí)現(xiàn)。

在2021 年計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)國(guó)際會(huì)議上，華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院呂志鵬教授團(tuán)隊(duì)摘得電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化布局布線算法競(jìng)賽全球冠軍。

圖7 呂志鵬教授（中）及其團(tuán)隊(duì)成員（圖/長(zhǎng)江云）

必須翻越的高峰——光刻機(jī)

光刻機(jī)是制造芯片最重要的設(shè)備之一，是迄今為止人類所能制造的最精密的裝備，被譽(yù)為集成電路產(chǎn)業(yè)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(qū)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(xù)步驟打好基礎(chǔ)。光刻機(jī)的投影物鏡被譽(yù)為成像光學(xué)的最高境界，其波像差需要控制到亞納米量級(jí)，甚至接近零像差，這對(duì)投影物鏡的生產(chǎn)、檢測(cè)與控制都提出了極為嚴(yán)苛的要求。

光刻機(jī)在工作時(shí)，需要工件臺(tái)和掩模臺(tái)在高速運(yùn)動(dòng)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(jī)領(lǐng)域的龍頭企業(yè) (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(rèn)為是最有可能代替硅基芯片的次時(shí)代技術(shù)。

石墨烯和納米碳管特殊的幾何結(jié)構(gòu)，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(shí)，納米碳結(jié)構(gòu)中沒有金屬中那種可以導(dǎo)致原子運(yùn)動(dòng)的低能缺陷或位錯(cuò)，使得其能承受的電流強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出目前集成電路中銅互連能承受的電流上限，這些性質(zhì)使得納米碳成為最理想的納米尺度的導(dǎo)電材料。

圖9 我國(guó)碳基半導(dǎo)體制備材料研制取得突破(圖/央視新聞網(wǎng)截圖)

我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在10.16 厘米的基底上制備出密度高達(dá)每微米120 根、半導(dǎo)體純度超過99.999 9%的碳納米管平行陣列，并在此基礎(chǔ)上首次實(shí)現(xiàn)了性能超越同等柵長(zhǎng)硅基CMOS 的晶體管和電路，成功突破了長(zhǎng)期以來阻礙碳納米管電子學(xué)發(fā)展的瓶頸。

相比傳統(tǒng)硅基技術(shù)，碳基半導(dǎo)體具有成本低、功耗小、效率高的優(yōu)勢(shì)，因此也被視為性能更好的半導(dǎo)體材料。與國(guó)外硅基技術(shù)制造的芯片相比，我國(guó)碳基技術(shù)制造的芯片在處理大數(shù)據(jù)時(shí)不僅速度更快，而且至少能節(jié)約30%左右的功耗。這或?qū)⑹刮覈?guó)芯片制造行業(yè)在新賽道上突破“卡脖子”技術(shù)成為可能。