3nm之后，如何制定面向未来的半导体创新战略？

在80年代后期，美国成立了SEMATECH，这是一个获得5亿美元政府资金的财团，以重新获得在美国半导体制造业的竞争力。尽管SEMATECH已成为工业和政府如何共同努力以恢复制造业的标准，但它并没有像最初设想的那样在半导体制造技术方面实现飞跃。

一个成功的战略需要考虑到半导体行业的复杂性，并需要了解哪些领域是通过国内企业的努力真正可以推动并进步。尽管正在进行的立法看起来很有希望，但需要仔细考虑才能实施，以确保长期利益。

对价值520亿美元的美国CHIPS法案表明，在该立法中强调开发3 nm晶体管工艺的代工厂，旨在与中国台湾和韩国的半导体代工巨头三星竞争。这些3 nm晶圆厂用于生产尖端集成电路（IC），为最新的智能手机供电，并且资源极为密集：单个3 nm晶圆厂的建造成本可能高达250亿美元，需要大量的水和能源才能运行，导致IC的成本高达数百亿美元或更多。

然而，最近的供应链问题通常是由于缺乏基于旧一代晶体管工艺的普通IC引起的，这些IC的成本仅为几美元或更低，例如用于汽车的加热座椅控制器或用于LED / LCD显示器的驱动器。这些类型芯片的国内制造也至关重要，并且可能更具成本效益和经济可扩展性。

政府不应主要关注如何大力发展3 nm半导体技术，而应鼓励整个电子生态系统的创新。这包括在硅和替代半导体材料中支持广泛的工艺技术，这些技术具有独特的功能，并且可以培养真正世界领先的能力。

二维材料有望变革传统集成电路架构

硅作为一种半导体可以通过引入少量杂质的方法，调节为良好的导体或者绝缘体。然而，随着近年来集成电路的制程进入5 nm以下，晶体管的尺寸不断缩小逼近其物理极限，传统的硅基材料越来越难以支撑集成电路性能的进一步发展。目前，英特尔、三星、台积电等处于芯片技术前沿的大厂们都已布局这个领域。为了应对未来芯片危机，欧洲也致力于石墨烯等二维材料研发，中国的北京大学、南京大学等也在这个领域取得了技术突破。

二维材料是一种从2004年发展起来的新材料，以过渡金属硫化合物（TMDC）为代表，包括通式为MX2的过渡金属二卤化物（TMD），其中M为过渡金属（例如，Mo或W），X为硫族元素（例如S、Se或Te）。这种材料具有高迁移率和后端异质集成等特点，将有望变革传统集成电路的架构，受到了学术界和工业界的关注。

当前的研究进展为：英特尔以利用MoS₂解决传统硅芯片的物理限制、台积电通过MoS₂结合铋实现极低接触电阻、三星发现了新材料“非晶态氮化硼”、欧盟正在致力二维材料研发、北京大学已实现2英寸单层单晶WS₂的外延制备、南京大学已实现2英寸MoS₂单晶薄膜外延生长。

晶体管结构新变革

随着工艺一步步演进，晶体管的尺寸也在一点点缩小，以便在给定的芯片面积内集成更多的电子元件，从而带来更强的系统功能和更低的指数级成本。GAA（Gate-All-Around RibbonFET）、VTFET（垂直传输场效应晶体管）、CasFET（级联场效应晶体管）等新结构已被提出。

GAA 技术，通过堆叠多个CMOS晶体管，实现高达30%至50%的逻辑微缩提升，单位面积的晶体管数量越多，半导体的性能也就越强大。与FinFET的不同之处在于，GAA设计通道的四个面周围有栅极，可减少漏电压并改善对通道的控制，这是缩小工艺节点时的关键。

VTFET将晶体管垂直于硅晶圆，并引导电流垂直于硅片表面。这种新方法通过打破对晶体管栅极长度、间隔厚度（spacer thickness）和触点尺寸的物理限制来解决缩放障碍，以便优化包括性能和功耗在内的各种参数。由于更大的电流流动，这种设计导致了更少的能量浪费。VTFET将使处理器的速度比使用FinFET晶体管设计的芯片快一倍，或减少85%的功率。

CasFET具有垂直于晶体管传输方向的超晶格结构，它们的行为类似于量子级联激光器，而不是传统的 FET 器件，从而让晶体管实现开关电压更低、功耗更低、设计更密集，体积更小。与最先进的晶体管相比，CasFET对栅极更敏感，这也适用于栅极全能 FET。所有这些晶体管都依赖于单一的开关机制。

随着摩尔定律接近其物理极限，未来的创新还需要新的方法，如芯片级封装、光子集成电路和高性能硬件定制。该行业迫切需要创新的另一个领域是减少碳排放。

在给美国商务部的信中，美国政府支持的非营利性战略投资者In-Q-Tel建议确保对初创企业和小企业提供足够的支持，这对促进创新是不可或缺的。当下主要的目的并不是攻克高端芯片制造工艺，不应该过于执著追求更高端的工艺，而是更应该把中低端做好。它还建议建立“制造工具箱”，使小公司能够获得商业设备和工具，从而帮助消除进入该行业的障碍。

另外，英国的创新战略将英国定位为芯片设计的先驱，尽管其本土半导体制造集群在化合物半导体和柔性芯片方面具有强大的能力。英国将大大受益于拥有一个类似于美国半导体行业协会的贸易协会，因为它可以有效地传达行业参与者的优势和要求。政府还需要支持行业计划，通过组织培训和学徒计划，提高国内员工基础的技能。

建立一个能够制造尖端AI芯片的3 nm晶圆厂是极其不错的，但它不能够帮助建立一个可持续的半导体产业，以满足更广泛的电子市场的多方面需求。我们需要与我们的领导合作，帮助他们了解该行业的复杂性，并帮助政府战略提供建议，以达到半导体供应链长远发展的美好愿景。

政府不应主要关注如何发展3 nm半导体技术，而应鼓励整个电子生态系统的创新。这包括在硅和替代半导体材料中支持广泛的工艺技术，这些技术具有独特的功能，并且可以培养真正世界领先的能力。

来源：半导体产业纵横