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余鹏鲲：中国发展半导体能“弯道超车”？误会有点太多了


【文/观察者网专栏作者 余鹏鲲】
谈到中国半导体产业 ， “弯道超车”一词频繁见诸媒体 。 在不同语境下 ， “弯道超车”也有不同的含义 。
有的是指中国半导体产业必须经过惊险的努力 ， 才能超越美国领导构建的半导体产业体系 ， 创造世界半导体的新一极 。 而另一些指的是通过某些特殊的技术或者机缘 ， 中国半导体靠巧力完成超越 。
后者无疑对中国的半导体正常发展不利 ， 但又是经常看到的 。 早在2017年 ， 国家集成电路产业投资基金总裁丁文武就表示：“中国芯片行业弯道超车的策略不现实 ， 弯道超车的前提是大家在同一起跑线上” 。 但是华为被断供之后 ， 铺天盖地的“弯道超车”又卷土重来 。
在这里 ， 笔者梳理了一些常见的“弯道超车”误会 ， 希望我们能坚定决心踏实发展 ， 破除美国在相关领域的垄断和封锁 。
高估新技术潜力 芯片产业化没这么简单
传统的芯片使用的半导体基础材料是硅 。 其他的材料做芯片 ， 尤其是一些新材料 ， 在某些性能上会比传统芯片好得多 。
美国国防高级研究计划局的电子复兴计划曾经拨款6100万美国给麻省理工学院的Max Shulaker教授团队 ， 用于研究碳纳米管3D芯片 。 Max教授2013年认为：“与传统晶体管相比 ， 碳纳米管体积更小 ， 传导性也更强 ， 并且能够支持快速开关 ， 因此其性能和能耗表现也远远好于传统硅材料” 。
近期被热炒的中科院3nm晶体管和北大碳基芯片也属于这一类 ， 共同的特点是用新材料取代传统的硅材料 ， 在某些性能上拥有突出的表现 。
2017年 ， 北大彭练矛院士团队研制了高性能5 nm（纳米）栅长碳纳米管CMOS器件 ， 并发表在权威期刊《Science》上 。 根据研究 ， 其工作速度3倍于英特尔最先进的14 nm商用硅材料晶体管 ， 能耗却只有硅材料晶体管的1/4 。
因此近期某些媒体认为 ， 中国将通过碳基芯片和中科院的3nm晶体管实现弯道超车 。 真的是这样吗？
像这样说的人 ， 其实隐含了一个判断 ， 即：近几年来 ， 作为计算机核心的CPU的单核性能不再像过去一样大幅提高 ， 是因为硅半导体材料的力学、化学和电学性能不行 。 但事实是 ， 制约CPU主频提高的因素是芯片功耗障碍和带宽障碍 ， 这些都不是靠换材料能够解决的 。
以主频的提高为例 ， 130nm工艺之后 ， 芯片电路延迟随晶体管缩小的趋势越来越弱 。 伴随而来的就是主频的提升越来越难 ， 目前制约主频的主要因素已经成为连线时延而非晶体管的翻转速度 。
余鹏鲲：中国发展半导体能“弯道超车”？误会有点太多了
本文插图
随之制程的减小 ， 门延迟降低而连线延迟上升
现今CPU的主频提高早已由门延迟主导变为连线延迟主导 ， 连线延迟通俗的说就是电流在CPU中流动产生的延迟 。 由于电子以接近光速传播 ， 没有更快的可能了 ， 想要优化只能让CPU性能上升的情况下 ， 还得简化其结构 ， 引入新的材料并不能解决面临的这一难题 。
相反 ， 以石墨烯构建芯片还面临着与旧生态不兼容、加工困难的问题 。 无论是中科院的殷华湘团队还是北大彭练矛院士团队 ， 目前的成果还停留在单个晶体管的层面 。 就算发表的成果保守一些 ， 实际上也不会超过上万个晶体管集成电路的水平 。 与主流芯片动辄几亿、几十亿晶体管存在巨大的差距 。
而唯一能做出芯片级成果的Max Shulaker教授团队 ， 也没能彻底解决碳基芯片的良率问题 。
该教授2017年发表在《自然》杂志论文中报告的芯片 ， 拥着四个集成电路层 ， 并拥有5个子系统 。 其中负责实验样品蒸汽数据采集、传输和处理的部分是碳纳米晶体管构建的 ， 而电阻随机存储单元（RRAM）和接口电路是由硅晶体管构建的 。 毫无疑问 ， 这是一个碳基+硅基组合型的气味探测芯片 ， 而不仅仅是碳纳米晶体管构成的 。


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