国产芯片如何突围？( 二 ) _知识百科

由于中国大陆的半导体制造业在先进芯片方面有所落后，所以，利用新型封装技术集成和互连国内积累多年的处理器、存储器等Chiplet，达到对标或超过国外高端芯片算力目的，是突破半导体工艺被卡脖子的重要途径，对我国的集成电路产业具有重要意义。
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硅光子技术
所谓硅光子集成技术，是以硅和硅基衬底材料（如 SiGe/Si、SOI 等）作为光学介质，通过互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的集成电路工艺制造相应的光子器件和光电器件（包括硅基发光器件、调制器、探测器、光波导器件等），并利用这些器件对光子进行发射、传输、检测和处理，以实现其在光通信、光互连、光计算等领域中的实际应用。
硅光技术的核心理念是“以光代电”，即采用激光束代替电子信号传输数据，将光学器件与电子元件整合至一个独立的微芯片中。在硅片上用光取代传统铜线作为信息传导介质，大大提升芯片之间的连接速度。后摩尔时代，光子芯片因其功耗低、低时延、具有高运算速度，且不易收到温度、电磁场和噪声变化的影响等优良特性，而被业界寄予厚望。
根据Gartner数据，2021年全球光芯片（含 CCD、CIS、LED、光子探测器、光耦合器、激光芯片等）市场规模达 414 亿美元，预计2025年市场规模有望达561亿美元。
光子芯片采用全新的芯片设计架构思路，将能够对现有的电子芯片性能进行大幅度提升，解决电子芯片解决不了的功耗、访存能力和计算机整体性能等难题。
而且光子芯片对结构的要求不像电芯片那样苛刻，光的波长在百纳米到1微米量级，因此，光芯片不必追求工艺尺寸的极限缩小，就能有更多的性能用以提升空间，一般是百纳米级。但光芯片和电芯片各有优势，二者虽在某些场景有竞争，光子集成电路高速率传输和电子集成电路多功能、智能化的优点，虽然在某些应用场景中，两者有竞争，但更多的时候，二者是共赢关系。未来光子芯片和电子芯片的结合，或将是产业创新的一个很重要的方向。
新材料
随着摩尔定律逐渐失效，寻求硅以外的替换材料成为行业的一大方向，而碳纳米管则被看作一个有希望的替代品。碳纳米管具有加工温度低、工作速度快、功耗低、更易实现三维异构集成等优势，最有可能成为后摩尔时代集成电路的颠覆性技术之一。国际半导体技术路线图很早就认为，碳纳米管是未来最理想的电子学材料。
在今年第25届京台科技论坛上，中国科学院院士、北京大学电子学院院长彭练矛表示，碳纳米管做的芯片综合性能可以比现在的硅基芯片提高成百上千倍。其另外一个优点就是，可以用二氧化碳制备碳纳米管，这样就可以消耗更多的二氧化碳。
理论仿真结果表明，采用三维集成的碳基集成电路较传统集成电路具有1000倍的性能功耗综合优势。根据已有研究成果估算，90纳米碳基集成电路技术可达到硅基主流28纳米技术节点的综合性能。因此，90纳米集成电路技术是碳基集成电路技术走向应用的关键节点。
“传统硅基芯片材料的潜力基本已被挖掘殆尽，无法满足行业未来进一步发展的需要，启用新材料是从根本上解决芯片性能问题的出路。”这是20年坚守碳基芯片研发的彭练矛所述。
目前其团队通过系统的优化阵列碳纳米管沟道材料，改善MOS栅叠层结构（碳纳米管/栅介质/栅金属），首次实现了基于阵列碳管的高性能增强型晶体管和集成电路，充分展现出碳管电子学的优势。相关论文已发表在国际知名期刊《先进功能材料》上，论文第一作者北京大学电子学系、前沿交叉学科研究院博士生林艳霞表示，在工艺水平相对不先进的实验室中研发出来的增强型晶体管和高速电路，就能达到晶体管迁移率接近单根碳管、并且比工业化水平成熟的硅基要高9倍多的水平。而且晶体管的实际性能也是第一次超过与硅基相同尺寸的晶体管性能，这正说明了碳晶体管、碳基芯片的无限潜力，它有足够的力量推动未来集成电路产业的快速发展。

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