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1nm硅基芯片
2022-11-24 29次


 对于硅基芯片,1nm这可能是这条路线的终点,但对于人类芯片来说,1nm它永远不会结束。芯片材料一直是硅材料,但随着芯片技术的不断改进,传统的硅基芯片正逐渐接近极限。

  1纳米硅基芯片的极限,主要基于两点考虑:

  第一、硅原子的大小

  芯片的制造过程是将晶体管注入硅基材料中。晶体管越多,性能越强。为了改进芯片的过程,有必要增加单位芯片面积的晶体管数量。

  但随着芯片技术的不断改进,单位硅基芯片能携带的晶体管越来越饱和。毕竟硅原子的大小只有0.12nm,根据硅原子的大小,一旦人类芯片技术达到一纳米,基本上就不能放置更多的晶体管,所以传统的硅脂芯片基本达到极限,如果达到1nm之后还强制添加更多的晶体管,然后芯片的性能就会出现各种问题。


  第二、隧穿效应

  所谓隧穿效应,简单来说就是微粒子能穿越障碍物的现象。

  在芯片上实施时,当芯片过程足够小时,电路中正常流动形成电流的电子不会诚实地按照路线流动,而是通过半导体闸门,最终形成漏电等问题。

  这种情况并不是在硅基芯片达到1纳米时发生的。事实上,这种漏电现象发生在芯片达到20纳米之前,但一些芯片制造商,包括台积电,通过改进过程来改善这个问题。

  到了7纳米到5纳米之间,这种情况再次发生,只不过ASML创造了EUV光刻机,这大大提高了光刻能力,积电、三星等厂家能够顺利生产出7纳米、5纳米、3纳米甚至未来可能发生的两纳米芯片。

  但未来,随着芯片技术越来越小,当传统硅基芯片达到一纳米时,各种问题会逐渐出现。即使一些芯片制造商能够突破1纳米的价格,整体芯片性能也不会那么好,至少不会太稳定,甚至可能出现各种问题。


  提高芯片性能,解决物理极限问题主要有几种路线:

  1、以碳基芯片取代硅基芯片

  从目前的科学研究来看,碳基芯片比硅基芯片性能更好,同等面积下的碳基芯片,性能要比硅基芯片高一倍以上甚至几倍以上。

  比如有些人就说28纳米的碳基芯片性能就相当于3纳米的硅基芯片,如果未来这种技术能够实现,这意味着一纳米的碳基芯片性能就相当于0.1纳米左右的硅基芯片性能。


  2、发展化合物半导体材料

  最近几年化合物半导体发展越来越猛,相比于硅基芯片而言,化合物半导体性能更加优越,这种化合物半导体由多种材料构成,比如氮化镓、砷化镓等等,这些化合物半导体在速度、延迟、光检测和发射方面都要比硅基芯片有更优越的表现,个别化合物半导体的速度甚至比硅快100倍。

  按照这个速度来推算,如果这些化合物半导体最终的工艺能够推到2纳米,那就相当于0.02纳米硅基芯片的性能。



  3、采用芯片堆叠技术

  最近几年时间,很多企业都在积极发展芯片堆叠技术,简单来说就是把几个芯片堆叠在一起从而提升整个芯片的性能。

  比如2纳米的芯片通过多次堆叠之后,它的性能就会大幅提升。


  4、芯片主板化

  芯片主板化简单来说,就是在一个芯片上面设置不同规格的芯片,不同芯片用来处理不同的功能,就像主板一样。

  比如用于核心计算的芯片可以是3纳米的,但用于处理一些功能比较弱的选项可以用7纳米的或者14纳米的等等。


  5、发展量子芯片

  量子技术现在越来越完善。目前,量子通信、量子计算等技术突破已成功实现,量子芯片也在积极推进。

  如果量子芯片将来能量产,人类芯片将进入一个新时代,硅基芯片很可能被淘汰。

  量子芯片是用量子纠缠进行计算和存储,其性能将大大提高,效率不是几倍,而是几百倍甚至几万倍。

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