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  新智元報(bào)道  

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編輯：yaxin, LQ

【新智元導(dǎo)讀】IBM剛官宣2nm研發(fā)不久，臺(tái)積電現(xiàn)已取得1nm以下制程重大突破！近日，臺(tái)積電、臺(tái)大與MIT攜手研發(fā)出半導(dǎo)體新材料「鉍（Bi）」，能大幅降低電阻并提高傳輸電流，有助于未來(lái)突破「摩爾定律」極限。

IBM 剛剛官宣研發(fā)2nm芯片不久，臺(tái)積電再次發(fā)起了挑戰(zhàn)！

 

臺(tái)積電取得1nm以下制程重大突破，不斷地挑戰(zhàn)著物理極限。

 

近日，臺(tái)大與臺(tái)積電、美國(guó)麻省理工學(xué)院合作研究發(fā)現(xiàn)二維材料結(jié)合「半金屬鉍（Bi）」能達(dá)極低電阻，接近量子極限。

 

這項(xiàng)研究成果由臺(tái)大電機(jī)系暨光電所教授吳志毅，與臺(tái)灣積體電路和MIT研究團(tuán)隊(duì)共同完成，已在國(guó)際期刊Nature上發(fā)表，有助實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體1nm以下制程挑戰(zhàn)。

 

沈品均、吳志毅、周昂升（從左至右）

 

半導(dǎo)體新材料「鉍」：有望突破「摩爾定律」極限

 

目前半導(dǎo)體主流制程進(jìn)展到5nm和3nm節(jié)點(diǎn)。

 

晶片單位面積能容納的電晶體數(shù)目，已將逼近半導(dǎo)體主流材料「硅」的物理極限，晶片效能也無(wú)法再逐年顯著提升。

 

近年科學(xué)界積極尋找能取代硅的二維材料，挑戰(zhàn)1nm以下的制程，卻苦于無(wú)法解決二維材料高電阻及低電流等問(wèn)題。

 

臺(tái)大、臺(tái)積電和MIT自2019年展開(kāi)了長(zhǎng)達(dá)1年半的跨國(guó)合作，終于找到了這把key。

 

 

這個(gè)重大突破先由MIT團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在「二維材料」上搭配「半金屬鉍（Bi）」的電極，能大幅降低電阻并提高傳輸電流。

 

臺(tái)積電技術(shù)研究部門(mén)則將「鉍（Bi）沉積制程」進(jìn)行優(yōu)化，最后臺(tái)大團(tuán)隊(duì)運(yùn)用「氦離子束微影系統(tǒng)」將元件通道成功縮小至納米尺寸，終于獲得突破性的研究成果。

 

吳志毅教授說(shuō)明，在使用「鉍（Bi）」為「接觸電極」的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)后，二維材料電晶體的效能，不但與「硅基半導(dǎo)體」相當(dāng)，又有潛力與目前主流的硅基制程技術(shù)相容，有助于未來(lái)突破「摩爾定律」極限。

 

 

研究成果能替下世代晶片，提供省電、高速等絕佳條件，未來(lái)可望投入人工智能、電動(dòng)車(chē)、疾病預(yù)測(cè)等新興科技應(yīng)用。

 

臺(tái)積電走向2nm！預(yù)計(jì)2024年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)

 

幾十年來(lái)，半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)步的背后存在著一條金科玉律，即摩爾定律。

 

摩爾定律表明：每隔 18~24 個(gè)月，集成電路上可容納的元器件數(shù)目便會(huì)增加一倍，芯片的性能也會(huì)隨之翻一番。

 

 

然而，在摩爾定律放緩甚至失效的今天，全球幾大半導(dǎo)體公司依舊在拼命「廝殺」，希望率先拿下制造工藝布局的制高點(diǎn)。

 

臺(tái)積電在先進(jìn)制程方面可謂是一騎絕塵。

 

3nm領(lǐng)域，臺(tái)積電一只獨(dú)秀。

 

2020年，5nm量產(chǎn)。

 

2nm預(yù)計(jì)在2023至2024推出。

 

此前報(bào)道曾介紹了臺(tái)積電近年來(lái)整個(gè)先進(jìn)制程的布局：

 

 

要知道，臺(tái)積電、英特爾和三星并稱(chēng)半導(dǎo)體制造業(yè)「三巨頭」。在芯片制程逐漸縮小的路上，三大巨頭你追我趕。

 

 

現(xiàn)在半路又殺出了IBM，上周竟宣布自己研發(fā)出了世界首個(gè)2nm芯片，相當(dāng)于在指甲大小的芯片上容納多達(dá)500億個(gè)晶體管，速度更快并且更高效。

 

 

對(duì)與更先進(jìn)的2nm制程，臺(tái)積電早在2019年就宣布對(duì)此研發(fā)。

 

去年，在5nm量產(chǎn)不久后，臺(tái)積電宣布2nm制程取得重大突破——切入環(huán)繞式柵極技術(shù) (gate-all-around，簡(jiǎn)稱(chēng) GAA) 技術(shù)。

 

有別于3nm與5nm采用鰭式場(chǎng)效晶體管（FinFET）架構(gòu)。

 

FinFET 本身的尺寸已經(jīng)縮小至極限后，無(wú)論是鰭片距離、短溝道效應(yīng)、還是漏電和材料極限也使得晶體管制造變得岌岌可危，甚至物理結(jié)構(gòu)都無(wú)法完成。

 

 

而全環(huán)繞柵(GAA)是FinFET技術(shù)的演進(jìn)， 溝道由納米線(xiàn)（nanowire）構(gòu)成，其四面都被柵極圍繞，從而再度增強(qiáng)柵極對(duì)溝道的控制能力，有效減少漏電。

 

臺(tái)積電在2nm研發(fā)上切入全環(huán)柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管GAA，其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手三星則早在2年前其揭露3nm技術(shù)工藝時(shí)，就宣布從FinFET轉(zhuǎn)向GAA，并「大放厥詞」：2030年要超過(guò)臺(tái)積電，取得全球芯片代工龍頭地位。

 

 

這也算是為兩家企業(yè)2-3nm制程的市場(chǎng)之戰(zhàn)吹響了號(hào)角。

 

為了搶在臺(tái)積電之前完成3nm的研發(fā)，三星的芯片制造工藝由5nm直接上升到3nm，4nm則直接跳過(guò)。

 

盡管臺(tái)積電和三星在2nm-3nm市場(chǎng)你爭(zhēng)我?jiàn)Z，但是英特爾卻毫不在乎，依然堅(jiān)持在14nm，10nm制程上的研發(fā)。

 

臺(tái)積電，三星對(duì)最先進(jìn)制程的追趕，正是想要在世界先進(jìn)制程領(lǐng)域一決高下。

 

臺(tái)積電加入美半導(dǎo)體聯(lián)盟

 

與此同時(shí)，出于利益考慮，全球晶圓代工第一大廠(chǎng)、島內(nèi)企業(yè)臺(tái)積電還積極尋求在美建廠(chǎng)，努力之一就是加入了剛剛成立的「美國(guó)半導(dǎo)體聯(lián)盟」。

 

本周二，由美國(guó)科技公司主導(dǎo)的游說(shuō)團(tuán)體「美國(guó)半導(dǎo)體聯(lián)盟」（Semiconductors in American Coalition，SIAC）成立。

 

 

SIAC成員目前包括蘋(píng)果、谷歌、微軟和英特爾，除了這些美國(guó)主導(dǎo)科技企業(yè)外，還包括三星、海力士，還有光刻機(jī)巨頭ASML，更有島內(nèi)晶圓代工大廠(chǎng)臺(tái)積電和聯(lián)發(fā)科。

 

對(duì)于加入SIAC的消息，臺(tái)積電沒(méi)有做出具體回應(yīng)。

 

SAIC官網(wǎng)「成員」頁(yè)的部分截圖，可以看到臺(tái)積電在列

 

這些成員任何一家的限制都會(huì)給我們的發(fā)展帶來(lái)阻擋。

 

專(zhuān)家解讀，可能讓中國(guó)更難達(dá)成不依賴(lài)美國(guó)技術(shù)、半導(dǎo)體自給自足的目標(biāo)。

 

SIAC的當(dāng)務(wù)之急是敦促美國(guó)政府提供「補(bǔ)助」。

一個(gè)由美國(guó)兩黨參議員組成的小組在周五公布了一項(xiàng)「520億美元」的提案，以在5年內(nèi)大幅提高美國(guó)半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)和研究水平。

 

美參議員Mark Kelly等人一直在討論一項(xiàng)折中的方案，以「應(yīng)對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)量的上升，以及芯片短缺對(duì)汽車(chē)制造和其他美國(guó)產(chǎn)業(yè)的影響」。這項(xiàng)提案預(yù)計(jì)將被納入?yún)⒆h院下周討論的關(guān)于資助美國(guó)基礎(chǔ)和先進(jìn)技術(shù)研究的法案中。

 

除了這項(xiàng)520億美元的提案，據(jù)美國(guó)《國(guó)會(huì)山報(bào)》報(bào)道，當(dāng)?shù)貢r(shí)間5月12日，美國(guó)參議院商務(wù)、科學(xué)和運(yùn)輸委員會(huì)以24：4的結(jié)果投票通過(guò)「無(wú)盡前沿」法案，授權(quán)在五年內(nèi)撥款「1100億美元」用于科技研究。

 

 

「無(wú)盡前沿」法案將授權(quán)五年內(nèi)將其中1000億美元投資基礎(chǔ)和先進(jìn)科技研究、商業(yè)化、教育和培訓(xùn)項(xiàng)目，其中包括人工智能、半導(dǎo)體、量子計(jì)算、先進(jìn)通信、生物技術(shù)和先進(jìn)能源。

 

此外，法案還包括再撥款「100億美元」，設(shè)立至少十個(gè)區(qū)域技術(shù)中心，并創(chuàng)建一個(gè)供應(yīng)鏈危機(jī)應(yīng)對(duì)計(jì)劃，來(lái)解決殃及汽車(chē)生產(chǎn)的「半導(dǎo)體芯片缺口」等問(wèn)題。

 

Hinrich基金會(huì)研究員、新加坡國(guó)立大學(xué)講師亞歷克斯·卡普里指出，因?yàn)槊绹?guó)正大力將半導(dǎo)體價(jià)值鏈與技術(shù)轉(zhuǎn)移回美國(guó)，并設(shè)下保護(hù)網(wǎng)，這讓「中國(guó)大陸提升芯片產(chǎn)業(yè)的努力，將更具挑戰(zhàn)性」。

 

卡普里認(rèn)為，臺(tái)積電大幅度增加對(duì)美投資，并參與在美國(guó)建立領(lǐng)先的5納米甚至3納米芯片制造工廠(chǎng)，可能會(huì)給中國(guó)大陸帶來(lái)壓力，因?yàn)榕_(tái)積電顯然不會(huì)在大陸蓋這類(lèi)工廠(chǎng)。

 

臺(tái)積電上月證實(shí)曾投資29億美元擴(kuò)大在南京的工廠(chǎng)，但該工廠(chǎng)的技術(shù)是28nm制程，比臺(tái)積電在美國(guó)亞利桑那州晶圓廠(chǎng)所使用的技術(shù)還要落后兩至三代。

 

 

Intralink電子和嵌入軟件部門(mén)主管蘭道爾說(shuō)，臺(tái)積電與其他加入SIAC的公司一樣，是出于自身利益的考量，有機(jī)會(huì)瓜分美國(guó)政府的500億美元資金。

 

同時(shí)，他表示，中國(guó)沒(méi)有類(lèi)似集結(jié)全球各地公司的組織，而且組隊(duì)結(jié)盟有助美國(guó)與其盟友「長(zhǎng)期保有領(lǐng)先中國(guó)的優(yōu)勢(shì)地位。」

 

參考資料：

https://www.cna.com.tw/news/ait/202105140051.aspx

https://www.chipsinamerica.org/about/

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