Sam Altman为了实现AGI,打算筹资7万亿美元,集合全世界半导体产业链的力量,建立一个全球性的“芯片帝国”!新闻一出,舆论哗然。
“后摩尔时代,放过石墨烯 (Graphene)吧。”这是两年前中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范说过的话。石墨烯,一个“新材料之王”,一个曾经在2021年在“全球IEEE(电气和电子工程师协会)国际芯片导线技术会议”定位为下一代新型半导体的材料,曾经掀起过不小风潮。
但彼时,各种概念肆虐,石墨烯电暖气、石墨烯化妆品,甚至是石墨烯内衣,就像曾经的纳米水、光催化和负氧离子空气净化器一样,一度让人们认为石墨烯的产品都是“骗人的”。可以说,石墨烯早就被营销“玩烂了”。
而且,更为重要的是,直到去年为止,石墨烯都没有“带隙”,带隙是0意味着,石墨烯就是导体。也就是说,石墨烯之前连允许允许半导体打开和关闭的功能都不存在,更别说引发半导体和电子学革命了,而且这种难题一卡就是几十年。
1、石墨烯的突围
面对人才、资源和技术“总动员”式的竞争,中国半导体的发展,似乎将不可避免地与“世界”的差距越来越大。但,凡事总有例外。
今年开年出现了一件大事,1月3日,天津大学与美国佐治亚理工学院合作,在碳化硅上首次用石墨烯合成一种功能半导体。其研究结果已经登上了《Nature》。这意味着石墨烯可能成为一种半导体,人类也将就此打开了一扇通往新世界的大门。有的人甚至评价道,这种开创性成就,可以让“摩尔定律”再续命数十年!
想象一下,在未来,你拿着一部智能手机,它不仅运行速度极快,而且电池续航时间惊人,即使连续玩几个小时的游戏或观看视频,手机也不会发热到烫手。这是因为手机内部的芯片不再是传统的硅基半导体,而是采用了石墨烯半导体技术。
为什么石墨烯与半导体的结合这么厉害?说到这,我们就要先了解一下,石墨烯半导体诞生前,人类是打算怎么搞出更快速的计算芯片的。
想要让芯片更“快”,那自然就得提高频率。而要提高频率,就涉及到一个重要的概念——电子迁移率。所谓电子迁移率,简单来说,就是电子在半导体材料中移动的速度。
如果电子就像是一群在赛道上奔跑的运动员,电子迁移率就是这些运动员在给定时间内能跑多远的能力。
电子迁移率高,意味着电子跑得快,这样在同样的时间内能传递更多的信息,从而意味着数据处理速度更快。
话虽如此,但电子迁移率这种东西,还真不是越快越好。因为在半导体中,除了电子迁移率,还有一个叫做空穴迁移率的东西。
对硅这种材料来说,如果电子迁移率太高,高出空穴迁移率太多,就会导致电路的整体性能不均衡,影响电路的响应速度和效率。
那石墨烯半导体带来的改变是什么?
很简单,石墨烯的电子迁移率和空穴迁移率是相等的!
电子和空穴迁移率相同,意味着它不会有一个“拖后腿”的队友,从而可以将电子迁移率的速度发挥到极致,这是目前绝大部分半导体都不具备的特性。
而这样的特性,也为开发新一代高速、高效电子器件提供了巨大的潜力。
2、石墨烯取代硅成为新一代半导体须过三道坎
目前,石墨烯要取代硅成为新一代半导体,仍面临诸多难题。
一是材料优化坎。理想的石墨烯半导体,需要对碳化硅和石墨烯扬长避短,有两种材料的综合优势:既要有碳化硅半导体一样优良的带隙,又有石墨烯导体一样优良的电子迁移率。目前,中美联手只是找到了制作石墨烯半导体新材料的方法,实验结果还远未达到理想的状态。
该方法制备的石墨烯半导体,目前只有0.6 eV带隙和5500cm²/V·s的电子迁移率, 与碳化硅3.2eV的带隙和石墨烯15000cm²/V·s的电子迁移率相比差距很大,需要继续探索改进。但是,现在方法找到了,方向明确了,需要的就是时间。
二是大规模量产坎。目前,制备高纯度、大面积的石墨烯材料仍是一大挑战。常用的制备方法包括化学气相沉积、剥离法和一些合成方法,成本都较高,而且难以控制石墨烯的厚度和结构。
三是加工应用坎。石墨烯不同于硅,它的机械强度和化学稳定性都很高,这就增加了加工和应用方面的难度。
3、半导体新时代
其实,前面研究团队攻克带隙问题的思路,本质上并不复杂,既然石墨烯本身没有带隙,那就通过特定的办法,让它从别的物质那里“借”来带隙。
而在具体操作中,这个被选中的物质,就是碳化硅(SiC)。这是因为碳化硅表面结构和石墨烯非常匹配为了让石墨烯从碳化硅上借来带隙,研究者首先要让其“长”在碳化硅上面。
这就像在一张桌面上撒上上一些糖(碳原子)。并打算在上面制作一幅糖画。
在石墨烯的生长过程中,科学家们面临的挑战就是如何让碳原子(糖)在碳化硅(桌面)上均匀地铺开,形成一层高质量的石墨烯(糖画)。
为了解决这个问题,研究人员采用了一种特殊的方法,叫做准平衡退火。通过精确控制温度、时间和气体流量,可以调节石墨烯的生长速率和结构质量。从而促进石墨烯层的有序生长,减少缺陷和杂质。
讲真,这技术将来要是真的得到了普及,那等于是革了硅基半导体的命。
因为从上限上来说,当前的硅基半导体,已经快走到头了。随着晶体管尺寸接近原子级别,量子隧穿效应和热管理问题开始显现,这限制了硅基晶体管的进一步缩小和性能提升。
而石墨烯芯片,由于独特二维结构和材料特性,使其能够以一种更加高效和稳定的方式控制电子,从而在微观尺度上减少了量子隧穿效应的影响。
这样的突破,对人类来说意味着什么?
想象一下,在某个巨大的数据中心里,成千上万的服务器正在处理着海量数据。
尽管如此,整个数据中心却异常安静,没有传统数据中心那种嘈杂的风扇声,因为石墨烯半导体的高效散热能力让这些服务器几乎不需要额外的冷却系统。
再想象一下,你正在观看一场虚拟现实(VR)游戏,画面流畅无比,没有一丝延迟。
这是因为石墨烯半导体的高电子迁移率,让数据处理速度达到了前所未有的水平,使得VR设备能够实时渲染出复杂细腻的虚拟世界,让你仿佛置身其中。
可以说,石墨烯芯片的问世,相当于是半导体领域的“莱特兄弟”时刻,这是人类追求AGI之路上必点的一个科技树。
那么,既然如此,石墨烯芯片是否真能就此撼动硅基芯片统治了几十年的江山,并一举实现弯道超车?
4、炒作or机遇?
讲真,现在就指望石墨烯芯片一举战胜硅基芯片这个BOSS,还是乐观了点。
原因很简单,技术成熟度和制备成本在那摆着呢。
具体来说,别的半导体材料(比如硅),就像是一块厚实的豆腐,有好多层原子,而且每层原子都紧紧挨着,但石墨烯就像是超级薄的保鲜膜,只有一层碳原子,这种结构在半导体材料中相当罕见。
通常情况下,只有当石墨烯的原子层仅有一层时,它跑电子的速度最快,性能最好。
所以,科学家们得想方设法,保证每一片都是单层的,这样才能发挥石墨烯的最大潜力。而这就必须要高精度的技术和工艺,比如特定的转移或生长技术。
在半导体材料制备过程中,凡是和“精细”相关的环节,成本都低不了。
就目前来说,制备石墨烯的主要途径,是化学气相沉积(CVD)法,这种方式,就好像是在高温炉子里,用特殊金属板烤出一张薄如蝉翼的“碳纸”,这个过程不仅得用昂贵的“烤箱”(CVD炉),还得用到各种催化剂(如铜或镍等金属)。
以上问题体现在产业中,就是制备起来昂贵,成品率低,难以大规模量产。
相较之下,硅的性质就比较“听话”。其晶体结构很稳定,长得又直又均匀,你让它怎么长,它就怎么长。因此人们很容易通过掺杂等工艺,来改变其电导性。
想用石墨烯这样一种尚且难以稳定量产的材料,去挑战硅基芯片几十年形成的产业链江山,就好像一个刚学会骑自行车的菜鸟,想要挑战一个在F1赛道上驰骋的老司机,而且骑的还是辆摇摇晃晃的三轮童车。
那么,照这样看来,这次石墨烯的突破,又是一场空欢喜的炒作了吗?
其实也不尽然,毕竟任何一种材料,都能找到自己独有的应用突破口,换句话说,石墨烯的最终目标,也许并不是完全替代硅,而是创造出自己的一条路。就像碳化硅和氮化镓一样。
具体来说,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)这些材料,在特定的应用领域(如高频、高功率电子器件)中展现出了比硅更好的性能。而石墨烯也可以在某些特定的领域,提供硅难以企及的差异化优势。
而这些特异的领域之一,就包括了现在各国都在投入重注的人工智能。
石墨烯的高电子迁移率的特点,使其在在制造高速、低功耗的晶体管方面具有巨大优势。而人工智能、大数据分析和云计算这些智能时代的关键“命门”,恰好需要这样的高性能计算能力。
考虑到AI在未来所具有的价值潜力,用高昂的制备成本,在特殊领域换来性能上的突破,以及产业上不被“卡脖子”的优势,似乎也不是完全不能接受的一个选项。
更重要的是,这种通过初期“大出血”投资前沿技术,取得特殊产业上的优势,进而后续通过产业带来的高价值效应,打败传统技术的情况,在历史上也不是没有先例。
先发优势
如果要论目前和石墨烯芯片处境最接近的技术,那也许电动汽车算是个可参考的“前车之鉴”。
从效益上来说,这是个诞生之初就面临高成本、不稳定和持续亏损的产业。
以电动汽车为例,其核心技术,如电池技术、电机和电力电子系统,需要大量的研发投资来提高效率,以特斯拉为例,其在2008年推出的第一款量产电动汽车Roadster,售价高达109,000美元,远高于传统燃油车。
其中电池的成本约为每千瓦时(kWh)1,000美元。可后来,这一成本到2020年已经降至137美元/kWh。
那其中的转变是怎么发生的?
一个重要的原因,是在全球碳中和的背景下,能源转型已经成为了一种国家战略,于是各种政策和补贴都上来了。
例如,2009年,美国通过了“美国复苏与再投资法案”(ARRA)资助了电动汽车充电站的建设,总计投入约4.5亿美元。一些州政府,如加利福尼亚州还提供了额外的购车补贴。
同样地,在中国方面,2014年,国内购买纯电动乘用车的补贴,最高可达11万元人民币。
这种以国家力量推动技术转型的策略,在今天的人工智能方面,也同样适用。
AI教主黄仁勋,在前段时间迪拜举行的世界政府峰会(WGS)上就宣称:现在的AI已经成为了一种国家主权。每个国家都需要拥有自己的人工智能基础设施。你不能允许这件事由别人来做。
在老黄看来,AI大模型会在将来编纂一个国家的文化、社会智慧、常识、历史。
在生产力层面受制于人,也许日后尚有反超的机会,但要在这些“软实力”上被人拿捏,那将来就真的“国将不国”了。
即使不从这样虚头巴脑的因素考虑,AI for science目前在科研方面显示出的不俗力量,也足以令各国政府为之押下重注。
有鉴于此,尽管当下的石墨烯芯片,只是未来众多取代硅基芯片方案中的一种(同样的还有光子芯片、类脑芯片等等),但从技术实现的难度上来说,石墨烯已经算是相对较小的一个了。
因为其可以利用现有的半导体制造基础设施,例如石墨烯可以在传统的硅晶圆上生长或者作为薄膜沉积
而光子芯片、类脑芯片和量子芯片这些选项,由于设计原理和制造工艺的不同,则需要全新的技术路径和设备。
从产业补贴的角度来说,石墨烯芯片是一个更容易发力和出成果的方向。
而这样的及时雨,对于中国这样亟需在AI算力上实现自主的国家而言,无疑是最需要的。