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荷兰日本上了美国的“贼船”!没有高端光刻机 我们怎么超车?

当大家还沉浸在过年的劲头里没缓过来时,国际上针对中国的围追堵截,并没有因为新年而有丝毫放松。

就在前两天,挡不住美国长期以来的威逼利诱,日本和荷兰政府已经同意站队美国一方,共同进一步限制中国半导体发展了。

虽然目前还没有公布具体的限制措施和实施时间,但像荷兰的ASML 、日本的尼康、东京电子,这几个国际上为数不多拥有先进半导体制造工具生产能力的企业,都将扩大对中国的禁售范围。

而且从目前透露出的消息来看,较大概率确定这次禁售范围应该是被扩大到了高端 DUV 光刻机( 28-16nm 先进工艺 )。

这个制程的芯片主要是用在 Wi-Fi、蓝牙、中低端手机处理器里。

这类光刻机,之前国内公司已经猛买了一波,所以短期内对日常生活影响不会特别大。

其实与日常生活息息相关的各种医疗设备、收银设备、办公设备里的主力军是 45-28nm 工艺的。

只要这部分产品我们不受限或者自己能造,那就不用太担心。

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不过更多的具体影响,我们还是得等子弹再飞一会儿。

国内还没吵起来,国外像 ASML 公司 CEO 温彼得就已经坐不住了,他公开表示了自己的不满,还说步步紧逼的管制措施,反而会推动中国创造自己的技术。

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把 “ 懂事 ” 打在评论里!这不得借他吉言好好干一波?

所以问题来了,国内有什么办法可以续上或者直接涅槃的?

荷兰日本上了美国的“贼船”!没有高端光刻机 我们怎么超车?

眼下最能续上的,应该算是 Chiplet 技术,不过比起工艺,它可能更像一个思路。

在 Chiplet 思路里,最重要的就是先进封装工艺。

它最初的概念原型,出自摩尔在 1965 年的那篇著名论文《 Cramming more components onto integrated circuits 》,就是在这篇论文里,摩尔提出了大名鼎鼎的摩尔定律。

也是在这篇论文里,摩尔还提了嘴 “ 用较小的功能构建大型系统更为经济,这些功能是单独封装和相互连接的 ” 。

这不巧了吗? Chiplet 恰恰是这么干的。

我们都知道,随着晶体管密度越来越大,芯片制造的难度也是越来越高。

所以, Chiplet 技术换了个思路。它把一个大的集成芯片,分成了不同的模块,把它们分开造好后,再像堆积木一样,把小芯片拼接起来,最终就能达到和大芯片一样的效果。

再加上先进封装工艺,一套组合拳下来,使用 10nm 工艺制造出来的芯片已经可以达到 7nm 芯片的集成度。

不用在制作工艺上钻牛角尖,却实现了接近先进制作工艺的水平,这不就是弯道超车?

除此之外, Chiplet 技术还有更多好处。

要知道,芯片里的不同模块,对于制程的需求是不一样的。有些模块可能巴不得你上到 1nm ,但有些模块用 28 nm 也没问题。

但如果把这俩模块放一起造,只需要 28nm 的模块也得被迫用上 1nm 的制程,这不就是纯纯的浪费?

这就好比是组队吃火锅,吃辣的人只能迁就不吃辣的,点个清汤锅。

Chiplet 就像一口鸳鸯锅,能把大家的需求全都安排上。

不仅如此, Chiplet 技术还能让每个模块都用上更合适的材质。

举个例子,我们手机里有个射频芯片,主要管收发信号的,早期的时候因为数据传输又少又慢,用硅来当材料也就够了。

可随着 4G 、 5G 的大规模应用,飞涨的数据传输量和速度让硅力不从心,所以现在手机里这部分芯片都把硅换成了磷化铟、氮化镓之类。

原材料都不一样,那就没法做成 1 个集合芯片了,但拆分成两个独立芯片,随之而来的就是功耗、延迟、占用空间变大等问题。

而用了 Chiplet 技术,在同一块芯片用上不同的材质,完全不成问题。

每部分都可以单独定制调整的优点,让 Chiplet 技术从产品迭代方面看起来也更有性价比。

升级换代某个模块,总比全部推倒重来要便宜、方便很多吧。

但它也有自己的一些问题,比如你得先保证各方制作的芯粒之间,能够互联互通,不然你说你的我干我的,放一起就是个麻烦。

所以在去年 3 月, Chiplet 技术的高速互联标准—— UCIe ( Universal Chiplet Interconnect Express ,通用芯粒互联技术 )正式推出,也算是初步在芯片封装层面,统一了度量衡。

UCle 产业联盟董事会▼

国内显然也嗅到了这一机会,就在去年 12 月中,由中国集成电路领域相关企业和专家,共同主导制定发布了《 小芯片接口总线技术要求 》团体标准。

虽说如此,但实际上,目前 Chiplet 技术仍旧以国际几大巨头为主导,包括 AMD 、三星、苹果、台积电在内,都创建了自己的 Chiplet 生态系统。

不过呢,相较于芯片制造,国内芯片的封装市场情况明显好上不少,像通富微电、长电科技都在积极布局。

总的来说,在 Chiplet 方向上,我们是跟上了潮流,在未来,也能期待下这个技术发光发热,只是真指望用 Chiplet 技术进行所有的先进工艺替代,实在有点勉强。

真要突破国外卡你芯片脖子,还得自己能造,所以我们还可以选择换条赛道。

眼下,确实有种方案摆在面前,那就是光子芯片。

顾名思义,光子芯片传输信号的方式,就是用光。

说起来,用光做芯片和用电做芯片,两个概念的提出时间其实很接近,但是为啥现在全是电子芯片呢?

因为人们找到了 “ 晶体管 ” ,这个和 “ 电 ” 绝佳的配合搭档,晶体管能很方便地用一个或者多个电压信号产生另一个信号,这样成百上千就组成了千变万化的模拟、数字电路。

然而在光学领域,人们挠破头,也没有找到属于光的 “ 光晶体管 ” 。

就这样,光子芯片被尘封了几十年。

然而, AI 时代的到来,神经网络的发展,让光子芯片有了全新的生命。

2017 年,一篇叫《 Deep learning with coherent nanophotonic circuits 》的论文在顶级期刊《 Nature Photonics 》上发表,它论证并实现了光子器件可以直接计算矩阵乘法。

矩阵乘法,就是现在 AI 里最常用的运算之一。而且越复杂的算法,矩阵乘法的规模越大。

在常规的电子芯片中,要进行矩阵乘法运算会非常复杂,这也是为什么 AI 算法这么吃算力, CPU 和 GPU 怎么进化都不够用。

光子芯片经过一组光路模块之后,天然就能够实现矩阵乘法,甚至只要增加光路,就能够实现更大的矩阵乘法。

所以,抛弃了 “ 光晶体管 ” 这个死胡同之后,光子芯片竟然在计算领域有了弯道超车的机会。

例如我国的曦智科技,在 2021 年推出的高性能光子计算处理器 PACE ,在一些特定领域已经能够秒杀市面上的同类电子芯片竞品,成为了全球首个实物示范出光子芯片优势的计算系统。

除此之外,还有个理论上的赛道,碳基芯片。

碳基芯片目前就是,把芯片里的硅直接换成石墨烯,工艺啥的统统不用变。

能这么硬换是因为石墨烯太优秀,石墨烯晶体管的运行速度比硅晶体管快上 5-10 倍,功耗却只有 1/10 ,还不受摩尔定律的约束。

这样一来,碳基芯片就能既要又要还要。

也正是因为这些优点,所以 90nm 工艺的碳基芯片性能可以赶上 28nm 的硅基芯片, 28nm 工艺可以等效 7nm ,到了这程度国产的设备已经完全够用了呀。

这么一来,脖子都没了,还卡个屁呀。

虽然碳基芯片目前还在实验室阶段,中外竞争主要体现在论文成果上。

但是,国际上的研究还真不多,相比之下,国内无论是论文发表数量,还是一定条件下的碳基晶圆生产,都存在一定的领先。

但碳基芯片大面积推广的问题也很多,最最主要问题是,碳纳米管的提纯太难,都不说石墨烯的制取难度,光是地球上碳的含量都远远不如硅。

而且,现在石墨烯晶圆量产的工艺条件还不成熟,没办法进行大规模量产,只能在实验室里玩玩。

不仅如此,从硅换成碳,虽然可以直接复用之前的半导体工艺设备,但实际上还是有 10% 的工艺设备需要重新调试改进。

看着是不多,但就半导体工艺环节的体量, 10% 的工艺设备改进足够大家喝一壶的了。

不过据行业内部人士分析,未来 3-5 年内,难度相对较低的物联网碳基芯片能实现商用,但手机、电脑里的则还得等更久一些。

说了这么多,理性的看,面对海外逐渐勒紧的芯片卡脖子,在先进工艺老赛道里,除了喊句 “ 加油 ” 、说句 “ 相信 ” ,也没什么更多办法。

可跳出原来的思维定式,不执着于纠结在 7nm 、 5nm 制程这些数字上,反而多想想能不能用 28nm 、 14nm 技术实现 7nm 、 5nm 的性能,不也能赢?

所以像 Chiplet 弯道超车,像光子芯片和碳基芯片这样换道超车,谁敢说就一定不行呢?

回到现实情况来看,目前可以用来突破卡脖子的新技术里,还是以 Chiplet 最为现实,可它也是几个新技术里中外差距最大的,不过总比死磕光刻机啥的好弄吧,顶一顶,多争取点时间也挺好的。

后两种新技术光子芯片和碳基芯片,眼下都是属于梦想很美好,现实很艰难,未来不确定的状态。

万一我们在外部封锁日益严重的情况下,在这两者里有了关键突破,那就可以上 BGM 了: “ 那年我双手插兜,不知道什么叫对手。 ” 

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