特邀委员记者 鲁修禄
芯片是整个信息产业的核心部件和基石,也是国家信息安全的最后屏障。目前我国芯片自给率仍然较低,核心芯片缺乏,高端技术长期被境外厂商控制,与发达国家的差距短时间难以逾越。据中国半导体协会统计,2019年我国芯片进口额超3000亿美元,但芯片自给率仅为30%左右。2020年已逾3500亿美元,达到原油进口量的2倍。不仅市场代价巨大,还面临严重“卡脖子”的风险,危及产业安全和国家安全。
目前芯片制作工艺大多采用基于硅基材料的集成电路技术,该项技术长期被国外厂商垄断。但硅基芯片的PN结从根本上限制了其发展潜能,目前的3nm制程已经逼近硅基芯片的物理极限,量子隧穿效应决定了其制程规模无法突破1nm。
随着5G时代的到来和人工智能产业的蓬勃发展,人工智能芯片逐步成为全球关注的新兴赛道。人工智能对芯片算力提出了更高要求,传统芯片制作工艺亟须从物理层面进行转型升级。新兴半导体材料的异军突起,将成为左右半导体芯片产业未来话语权的重要因素。全球人工智能芯片市场均尚属于萌芽阶段,虽然我国起步较晚,但暂未与发达国家拉开较大差距。
为推动半导体芯片产业实现换道超车,发挥关键核心技术攻关新型举国体制优势,建议大力研发四种新型芯片:
一是碳基半导体材料。使用碳基半导体制造芯片存在较大优势,碳晶体管的理论极限运行速度是硅晶体管的5-10倍,而功耗却只有后者的1/10。2020年5月,北京元芯碳基集成电路研究院突破了碳基半导体材料制备瓶颈。我国碳基材料率先研制成功,为碳晶体管的制作打下了坚实的基础,标志着我国碳基芯片制造领域处于科技的最前沿。
二是硅碳半导体材料。该材料综合硅基、碳基半导体的优秀品质,因为其独特的化学特性,硅碳半导体材料有着无可比拟的应用前景,主要应用于大功率、高温、高频和抗辐射的半导体器件上,比硅器件强很多,在5G、智能交通、新能源汽车和工业控制等市场大有可为。
三是第三代半导体材料。这是以SiC碳化硅和GaN氮化镓等为衬底材料,具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点,更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件,在光电子和微电子领域具有重要的应用价值。目前,市场火热的5G基站、新能源汽车和快充等都是第三代半导体的重要应用领域。
四是发展光子芯片。光子芯片的计算介质是光子而非电子,有功耗低、运算频率高、抗电磁干扰能力强的优点,光子芯片的计算速度将是传统芯片速度的1000倍以上,抗电磁干扰的能力更为强大延迟更低。其不需要改变二进制计算机最底层的软件原理,适合线性计算,与未来人工智能和大数据发展方向相契合。目前主流光子芯片研究厂商仅将光子芯片作为电子芯片的补充,集成为光电子芯片,在单独制作和运用光子芯片方面暂未取得关键性技术突破。
(作者系广东省生态环境厅厅长)