潘仲光:破解芯片“卡脖子”难题

选择字号:   本文共阅读 2531 次 更新时间:2023-07-10 16:39

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潘仲光  

 

半导体最关键的技术就是光刻机。目前,面对深紫外光刻机(DUV)和极紫外光刻机(EUV)设备被美国“卡脖子”的现状,我们要保持清醒和定力,从科技发展的规律入手,适度前瞻,着眼布局下一代半导体技术,力争反过来“卡美国的脖子”。

从光刻机的发展历程说起

大约在2002年前后,芯片制造厂面临瓶颈:DUV激光技术已经达到极限,而EUV技术尚未成熟,工艺进展停滞在65纳米。这是由于深紫外光的波长已经降至157纳米,不透光性使得传统的光学镜片无法进一步缩短波长。

此时,台积电一位“鬼才”工程师林本坚提出一个突破性的解决方案:利用折射率为1.46的水,将光的频率提高,实现了虚拟的132纳米波长的激光。于是,在2004年,ASML成功制造出世界上首台将193纳米波长缩短至132纳米的光刻机,而台积电也成功开发出了首款采用45纳米工艺的芯片。此后,每一代技术都在这一原理的基础上不断改进,继续利用水来提高激光频率,直至2020年。

然而不为人所知的是,林先生并非所谓的“鬼才”,而是一位资深的DUV/EUV专家。台积电的蒋尚义部长在2000年亲自将林先生挖角过来,将他视为重要人才。EUV技术一直是林本坚先生在美国IBM工作的22年里从事的研发项目。当时,IBM有两个研究小组,其中一组认为应该直接开展X光蚀刻技术的研发,而林本坚带领的团队则专注于DUV/EUV紫外线技术。

换句话说,美国人在80年代就开始研究DUV之后的技术。美国大型企业和初创公司有动力开展超前30年的技术研发,这是我们应该学习的地方。

DUV/EUV技术已经过时

从2020年开始,台积电不再使用DUV技术,而是采用真正的13.5纳米波长的EUV锡激光技术来制造4纳米工艺的芯片。

而2025年即将投入量产的2纳米芯片,其制造技术将不再采用EUV激光,而是采用下一代技术PUV,也被称为软X射线技术,这是一种波长为6.5纳米的铌激光技术。

换言之,我们将进入20世纪80年代IBM的另一个研发团队开发的X射线技术时代。美国的工艺战略研究报告认为,这是美国超越台积电的重要机会。因为PUV技术是科学家用于拍摄原子化学物理现象的工具,PUV技术的能耗和瞬间曝光技术将超出台积电的能力范围。

美国人卡我们DUV和EUV设备的脖子,我们为何要去研发DUV和EUV呢?根据当前的国家规划,我们计划在2030年实现自主研发的DUV光刻机,并在2035年实现EUV光刻机的自主研发。我相信,到2030年,PUV技术也将过时,美国会完全开放DUV和EUV设备对中国的销售。这意味着此类设备的价格将会大幅下降,甚至会有大量的改装设备供应。相比之下,我们的设备只能亏本销售。

中国应积极布局下一代半导体技术

我们何不考虑往上游去“卡美国的脖子”呢?在产业链方面,未来的芯片制造工艺需要两大要素:稀土和超级功耗电池。铌的主要产地是巴西,同时,电子工艺还需要高纯度和大量的稀土元素:氙(稀有气体)、钇、钕、铈、镝、镧、钪、钬、铽等等。同时,X光工艺还需要超大电流电池技术的支持,用于在短时间内释放大电流。目前,Intel正在与特斯拉合作研发这种超大电流设备。

在工艺方面,缩小尺寸也并非唯一的发展方向。EUV工艺代表了越来越昂贵的投资,自2000年以来,美国半导体企业一直致力于研究如何实现从二维平面工艺向三维工艺的转变。这里有几个技术方向:首先,FinFET技术不能适应5纳米以下的线宽。随着工艺进一步发展到4纳米,业界已经转向多层纳米片(Nano Sheet)结构。其次,通过3D芯片堆叠技术,将不同功能的芯片叠加在一起进行焊接。第三,继续衍生纳米片技术,直接在上下两侧同时制作PMOS和NMOS,形成立式的CMOS结构。第四,将电源和时钟放置在晶片底部,信号线位于上方,极大地减少平面空间的占用。

除实现半导体2D向3D的转变外,还有多项技术正在研发中。我们应该尽快摆脱硅半导体晶圆,开始采用各种效率更高的化合物半导体材料。其次,是多层叠加工艺,美国已经能够叠加600多层光罩。第三,是芯片间的传输技术,这是我国应该优先研发的方向。即使芯片运行速度再快,也会受到芯片间传输的限制。当前,美国芯片巨头英伟达正在研发各种光传输技术,用于串联超级人工智能模型的大脑。最后,我国还可以研发更大的曝光面积。既然无法快速制造出更小纳米的光刻机,为何不将每次曝光区域从1寸扩大到5寸呢?SoC是将多个芯片封装在一起,为何不能直接将其曝光在一个芯片内?这样不仅可以解决芯片间传输速度慢的问题,同时还能大幅降低成本。

当前,科技已经走到了摩尔定律的极限。原子的尺寸大约0.5纳米,我们的三极管不可能小于2纳米了。那么2025年之后我们应该怎么办?量子计算机至少还要10年才能军用,20年后才能商用。美国的武器制造公司诺斯罗普·格鲁曼(Northrop Grumman)早在2003年就开始研发下一代的超导约瑟夫森结电脑。这种电脑不需要CMOS,没有逻辑门传输延迟问题。基本上一个40尺货柜大小的约瑟夫森结电脑可以匹敌一栋20层楼高的数据中心,能耗却只有万分之一。目前美国军方已经开始使用,预计2030年将实现全面民用。

因此,我的结论是:根据摩尔定律“晶体管数量每两年翻一番”,60年代发明的CMOS技术将在2027年达到极限,无法制造出2纳米以下的晶体管。之后美国将不会再对相关设备和材料的销售设限,这将导致相关技术的价格普遍下降。我们为何要浪费金钱来追赶这些过时的技术呢?对此,我建议,不要再将资金浪费在DUV和EUV技术上,而应当投资稀土加工供应链、投资高能曝光电池技术、投资3D半导体技术、投资芯片间高速通讯技术、投资大面积曝光技术、投资超导约瑟夫森结电脑、投资量子计算机。

 

潘仲光介绍:

毕业于美国卡内基梅隆大学计算机工程、工业管理、经济三学位。1991年创办世界最大显示器公司冠捷科技。担任中国经济50人论坛理事、中国高尔夫球协会副主席、中国连锁经营协会副会长、世界女子高尔夫积分委员会董事。正在创业项目有:昀光微显示芯片董事长、友机先进封装掩膜板董事长、科领彩色视频电纸董事长、中数元宇虚拟办公MR眼镜总裁。2002年协助上海市引进台积电在大陆投资第一个工厂。

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