后摩尔时代，半导体产业如何换道？
基于碳纳米管材料的碳基芯片正成为后起之秀。（图源：G. Hills et al/Nature 2019）
发布于2024-11-27
1947年，贝尔实验室演示了世界上第一个基于锗半导体的晶体管，标志着信息时代的开启。7年后，硅晶体管问世并随后成为集成电路技术的主流材料，也揭开了半导体产业的“摩尔定律”（Moore’s Law）的时代。
按照摩尔定律，集成电路上可容纳的晶体管数目每隔约18个月到24个月就会增加一倍，意味着微处理器的性能大约每两年翻一倍，而同时芯片的价格也就随之下降为之前的一半。半导体产业按照摩尔定律发展了60多年，对此后的世界经济增长做出了贡献，并驱动了一系列科技创新、社会改革、生产效率的提高和经济增长。
然而，就像世界上大部分事物发展的规律一样，即便经历过再多辉煌的时期，也将迎来某种程度的终曲。这些年来，关于摩尔定律放缓乃至失效的呼声也此起彼伏。尽管摩尔定律何时“寿终正寝”业界尚无定论，但为摩尔定律续命的尝试，早已从各个层面展开多年。
从硅基到非硅基，芯片材料是否要再次“换道”？
半个多世纪以来，以硅为核心材料的半导体技术，特别是CMOS集成电路技术推动了人类信息社会的深刻变革，但也逐渐接近其物理极限和工程极限。事实上，自进入21世纪以来，以硅为基础芯片的发展速度已经开始放缓，全球半导体产业已经进入后摩尔时代。但与此同时，人类社会对数据计算能力和存储能力的需求却与日俱增，因而半导体学界和业界在艰难发展硅基技术的同时, 也越来越频繁地将其目光和精力放到新材料和新器件的探索中来, 以求从根本上延续和拓展摩尔定律。全世界的科学家们都在研究和寻找可以替代硅的新材料。
那么，有哪些具有延续摩尔定律潜力的非硅基材料呢？
大致来看，包括碳基材料，即以碳元素为主要构成的材料，具有半导体特性。碳基半导体因其独特的物理特性和优异的导电性能而备受关注，被认为在未来电子、光电和量子器件领域有巨大发展潜力。碳纳米管（CNT）、石墨烯等都属于碳基半导体。
其次，还有化合物半导体。不同于硅（Si）这样的单一元素半导体，化合物半导体是由两种或多种不同元素组成的半导体材料，具有宽带隙、高电子迁移率和优异的光电特性，使其能够在高温、高频及光电应用中表现出色。其中就包括这些年十分热门的第三代半导体氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC），还有砷化硼（BAs）等。
此外，另一类基于碳的有机半导体材料，则广泛应用于柔性电子、光电器件、显示技术等领域。包括有机导电聚合物以及有机小分子半导体等。
还有一些新型材料，如氧化锌（ZnO）、二硫化钼（MoS₂）、黑磷（Black Phosphorus）等在不同的应用场景也有着极高的应用潜力。在我们另一篇技术文章《硅之外的选择：非硅基材料如何推动半导体创新？》中，对于非硅基半导体的发展和应用有深入详细的介绍。
以目前的发展来看，碳纳米管或将是最有潜力延续摩尔定律的一个方向。碳基半导体除了成本更低外，它的功耗更低，效率也更高，是一种更好的半导体材料，很可能是下一代晶体管集成电路的理想材料。但要制造出符合碳纳米管要求的材料并非容易的事，这是科学家们一直在努力解决的难题。事实上，早在2009年，碳基纳米材料就作为未来技术选项列入国际半导体技术发展路线图（ITRS），但当时美国IBM公司仿真结果认为平面结构碳管阵列晶体管领先硅基五个技术节点。
值得关注的是，由北京大学信息科学技术学院电子学系主任、中国科学院院士彭练矛和北大物理电子学研究所教授张志勇带领的课题组刚刚突破了半导体碳纳米管关键的材料瓶颈，其制备出的器件和电路在真实电子学表现上首次超过了硅基产品。相关成果已经在世界权威学术期刊《科学》（Science）上发表。这一次的突破， 可以说是碳基集成电路兑现其理论潜力的第一步，让我们看到半导体碳纳米管拿出了比肩传统技术的真实表现，且远远领先其它非硅半导体材料，包括备受追捧的第三代半导体。
在应用层面，碳基电子技术在包括数字计算、射频电子、传感探测、三维集成电路和特种芯片, 以及显示驱动、光电器件等表现出了较大的应用潜力。尤其是碳纳米管数字集成电路（或称碳基数字电路）作为碳基电子技术的技术价值和商业价值最大的一个应用方向, 其近年发展主要包括四个方面：高性能电路探索、低功耗器件创新、完备的数字逻辑功能演示和大规模的集成系统研究。
量子与光，另辟蹊径？
量子和光， 是后摩尔时代另外被寄予厚望的重要方向。并在经历了数十年的实验室研究和学术探讨之后，开始接近成为一个商业命题。近几年，关于用量子和光学芯片加速AI的研究逐渐兴起，提高算力的根本性对策在于提高运算速度和降低运算功耗。
这一点上，光学将能让计算机芯片设计克服电子学的根本局限。据上海交通大学集成量子信息技术研究中心主任金贤敏教授介绍，光子是当前速度最快的粒子，且具低功耗、低延时、不易受到温度、电磁场和噪声变化的影响等特点，因而光子芯片也被海内外科学家视作最有可能替代电子芯片的未来基础性核心技术，也是超越摩尔定律的重要技术基础之一。不过尽管优势众多，但是过去很长一段时间，光学技术主要应用于通信传输领域，借助光的更快速度、更高容量等特点实现数据的远距离传输，在计算领域则进展缓慢。由于光计算的应用场景不清晰，软硬件体系也不够完善，因而关于如何用光子代替电子芯片执行计算的想法长期停留在研究阶段。（想要了解更多关于光子计算、管子芯片的内容，请阅读这一篇：《从电子到光子，光学计算引领超级计算新时代》。）
而量子计算则是利用量子力学的反直觉特性，可以大幅加速某些类型的计算。这让量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面（如机器学习，密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等）相比经典计算机实现指数级别的加速。
但同样地，量子计算的产业化应用也面临工程和材料上的难题以及几个技术障碍——量子比特是量子计算机的基本组成部分，对外界干扰极其敏感。为了真正使用量子计算机，研究人员需要更好的方法来纠正这种干扰造成的误差。不过，IEEE高级会员Kevin Curran认为，量子计算领域的重大进展得益于量子比特质量、错误率和可扩展性的提高，以及大型科技公司和初创公司的大量投资，而新量子算法的开发可以大大提高量子计算机的实用性。近年来全球对量子计算的投入持续上涨，据粗略统计，包括美国、英国、中国和德国在内的各国政府合计已投入数十亿美元以推进量子研究。国外高科技企业如谷歌、IBM、微软、英特尔等在量子计算技术方面投入了大量资源，在推动量子计算技术由基础研究向工程化发展迈进方面取得了显著的成效。
目前量子计算机的研究还处于早期发展阶段，主流的技术路线包括超导、离子阱及光量子三条技术路线。其中超导路线最为拥挤，IBM、谷歌、英特尔以及中国的本源量子、国盾量子等都在这一路线上布局。但也有国内学者团队看好光量子路径。因为实现通用量子计算机有三个前提——百万量子比特的操纵能力、低环境要求、高集成度，光量子是目前能满足这三个条件的最佳路径。
光量子芯片，即利用光子的量子特性进行信息处理和传输的芯片。光信号以每秒30万公里的速度在指甲盖大小的线路中奔跑，光子的叠加态、纠缠态等量子特性，可实现比传统计算机更快速、更强大的计算能力。要实现这一能力，需要将大量光子器件通过光刻的方式集成在光量子芯片之中，并实现对各个光子器件的精准调控。
更为重要的是，选择光量子路径，也就是选择了在芯片的底层机理、制作工艺、系统集成上全部从零开始，是实实在在的“换道”。
结语
超越摩尔定律的探索之路已在各个层面展开。科学家们在传统硅基电子芯片之外，寻找新的光亮。无论是碳基电子技术，还是量子或者光子芯片，这些极具潜力的后起之秀给了我们希望。但同时，也意味着需要经过一个个漫长的技术积累的过程。在传统电子芯片时代，很多国际科技巨头们正是通过漫长的技术迭代，以及产业落地和应用的规模化，诞生了一个又一个“伟大的科技公司”。 同理，在硅以外的领域，也必将经历这样一个过程。
作者简介
Carrie Gan (干晔)
拥有14年媒体从业经验，她擅长深度剖析半导体和电子产业链的发展，专注于AI、自动驾驶等新兴技术和应用的报道，曾供职于福布斯中国和IT时代周刊等知名媒体机构。在2022年，加入贸泽电子，负责技术内容的创作和管理工作，致力于创作有趣、新鲜且具有深度的硬核科技内容。