餘鵬鯤：國產光刻機的創新為何還解不了“缺魂少芯”
【文/ 觀察者網專欄作者 餘鵬鯤】
根據科技日報的消息，4月10日記者從武漢光電國家研究中心獲悉，該中心甘棕松團隊採用二束激光在自研的光刻膠上突破了光束衍射極限的限制，採用遠場光學的辦法，光刻出最小9納米線寬的線段，實現了從超分辨成像到超衍射極限光刻製造的重大創新。
（甘棕松團隊研製的9nm線寬雙光束超衍射極限光刻試驗樣機）
該樣機實現了材料，軟件和零部件等三個方面的國產化，實現了微納三維器件結構設計和製造軟件一體化，可無人值守智能製造。同時通過合作實現了樣機系統關鍵零部件包括飛秒激光器、聚焦物鏡等的國產化，在整機設備上驗證了國產零部件具有甚至超越國外同類產品的性能。甘棕松説，最關鍵的是，我們打破了三維微納光製造的國外技術壟斷，在這個領域，從材料、軟件到光機電零部件，我們都將不再受制於人。
9nm、光刻試驗樣機、國產化、超越國外產品性能、打破國外技術壟斷等字眼很難不讓人聯想到到一直對中國大陸封鎖的光刻機。距離去年4月美國商務部激活對中興通訊的拒絕令已經過去整整一年了，中國缺少高端通用芯片及基礎軟件產品的問題卻越來越受到廣泛的關注。
光刻機作為半導體生產製造環節最重要的核心部件，其關鍵技術一直被荷蘭ASML公司壟斷，並被西方限制向中國大陸出口。不能獲得最先進的光刻機是境內半導體工藝製程始終比境外落後1-2代甚至3代的主要原因。
歸根結底，人們要問這台商業化、國產化都很充分的光刻試驗樣機短時間內用於高等級集成電路生產的可能嗎？有可能替代進口的光刻機嗎？能解決中國計算機產業現在面臨“缺芯少魂”的尷尬嗎？
很遺憾，幾乎所有媒體報道國產光刻試驗樣機問世時都會提到光刻機和芯片製造。但所有官方消息都會指出這是超衍射極限光刻試驗樣機，主要解決的是微納三維器件結構設計和製造的問題。
也就是説這台樣機不是一般意義上的光刻機，短時間內也無法用於高等級集成電路芯片的生產。
事實上這並不是一個特例，每年國內外都會湧現一批生產芯片的新材料、新工藝。這些新材料、新工藝如果不能與現有的材料和工藝緊密的結合一般最終都不能用於生產通用性強的高等級半導體芯片。對中國而言，儘管這些進步都將在各自領域中發揮重要作用，但對於解決“缺芯”問題幫助不大。
新材料、新工藝局部具有突出優勢，但侷限也很大
從原理角度講，能夠支持納米級別加工的材料、工藝數量着實不少，而且還在不斷地增加。其中又有為數不少的材料和工藝能夠用於加工電路。在舊有工藝的侷限性不斷暴露，集成電路製程更新乏力的大背景下，只要提出或者改進一下這些工藝或者材料，就會被認為具有替代現有的工藝可能或者重大技術突破而被廣泛關注。
在過去的一年中，比較有名的就有美國國防高級研究計劃局投資石墨烯3D芯片以及國產“超分辨光刻裝備項目”等報道。
這些新材料、新工藝相比目前的硅半導體和光刻而言，在某些方面具有突出的優勢，但是總得來説還是侷限更大，只能用於生產特殊芯片而非通用的高等級集成電路芯片。
去年美國國防高級研究計劃局給麻省理工學院Max Shulaker團隊資助了6100萬美元用於利用石墨烯材料製作碳納米晶體管，並構造出3D芯片來。Max教授早在斯坦福大學就讀博士時就開發出了世界上第一台基於碳納米晶體管技術的計算機，並將成果公佈在著名的《自然》雜誌上。
2017年Max教授再次於《自然》雜誌發文提出單芯片上三維集成的計算和存儲模型，也是在這篇文章中產生了石墨烯製造的碳納米管3D芯片這一概念。
（2017年論文中的碳納米管3D芯片原理圖和顯微鏡剖面圖）
用Max教授的話説：“與傳統晶體管相比，碳納米管體積更小，傳導性也更強，並且能夠支持快速開關，因此其性能和能耗表現也遠遠好於傳統硅材料”。但是經過數年的研究，到2017年Max教授不再謀求通過碳納米管直接取代硅晶體管。
2017年的研究中所謂的碳納米管3D芯片中計算、儲存、緩存都是由硅晶體管構成的。只有負責實驗樣品蒸汽數據採集、傳輸和處理的部分是碳納米晶體管構建的。換言之，碳納米管3D芯片更像是集成了碳納米管氣體傳感器的普通芯片，只是集成度稍高而已。
目前碳納米管具有硅晶體管所不具備的更優良的力學、化學和電學性能，但是另一方面產量、良率、電路的抗干擾能力、速度都存在很大的劣勢。與造成的麻煩相比，石墨烯帶來的優勢不止一提。很可能只能繼續用於為處理芯片集成各種各樣的集成傳感器。
過去一年中一個關於半導體制造新工藝的是去年12月1日，《解放軍報》報道了中科院光電所可加工22nm芯片的“‘超分辨光刻裝備項目’通過國家驗收”。
此次自主光刻設備由於採用了表面等離子體技術，使得光源的波長與線寬之比大大提高。由激光直寫、激光干涉等技術的2-4：1提升至現有的17：1。這意味着用該自主光刻設備生產半導體的光源成本將大大降低，同時還將繞過西方發達國家在半導體領域經營數十年的專利壁壘，並且新技術還有較大的潛力可以挖掘。
該光刻設備的面世，填補了相關技術的空白，取得了一定的應用，達到了相當的水平。同時也應該看到，目前這種工藝存在技術應用還不太成熟，還無法加工像主流PC電腦CPU和顯卡一樣的複雜部件。
該項目的副總設計師胡松在接受央視13頻道的《午夜新聞欄目》採訪時説到該設備可以加工十毫米乘十毫米範圍的芯片。這已經包括了幾乎所有手機SoC（例如麒麟970、蘋果A11芯片）能達到的大小。已經是非常不錯的結果，不過顯然還有進步的空間。
（該項目副總設計師披露的設備性能情況）
總之，利用新材料、新工藝往往能夠得到某些突出的優勢，但同時也存在着各種各樣的侷限。
新形勢下非傳統半導體材料和工藝逆襲的難度越來越大
除了新材料和新工藝存在的侷限之外，目前圍繞現有工藝構築的成熟生態也限制了新材料、新工藝逆襲的可能性。
試想一下，如果如果武漢光電國家研究中心此次研究得是真的可以用於製造高端通用芯片的新工藝光刻機。就真的能很快生產出這樣的芯片嗎？
隨着半導體芯片製造的製程越來越小，人類遇到了越來越多的新問題，半導體工藝與設計之間的關係也越來越緊密。目前半導體制造中換個工藝或者製程，芯片的電路部分很可能就要重新設計。如果新制程工藝優化得不好或是芯片沒有根據新工藝做足夠的調整，新工藝流片的芯片性能和穩定性不如老工藝是完全有可能的。
英特爾在2007年宣佈了著名的“嘀嗒”(Tick-Tock)戰略模式，“Tick-Tock”的名稱源於時鐘秒針行走時所發出的聲響。一般一次“Tick-Tock”的週期為兩年，“Tick”佔一年，“Tock”佔一年。Tick年（工藝年）更新制作工藝，Tock年（架構年）更新微架構。
但是2016年，英特爾打破了自己定下的這一戰略，將這一戰略修改為“製程-架構-優化”(PAO)的三步走戰略。
（英特爾原本的“兩步走”戰略放緩到“三步走”）
英特爾之所以做出這樣的改變，原因是多種多樣的，既有合理化10nm難產、追求更高利潤率的原因。另一方面，現有工藝與設計的耦合性越來越強恐怕也是很重要的原因。
要保證隨着製程的提高性能一代更比一代強，恐怕確實需要多一年的時間來進行這樣的優化。
對於目前的芯片設計而言，半導體生產企業必須要把足夠多的參數和數據提前提供並不斷更新才能保證設計的正常進行，這一過程中需要做大量的實驗，花費鉅額的資金，對於新工藝而言還有完全失敗的可能性。
同時隨着半導體制造企業出於保護技術秘密，降低設計企業開發成本等因素，往往還會提供給設計企業封裝好的工藝庫和工具箱，甚至於連設計用的IDE都必須由半導體制造企業定製。新工藝如果沒有足夠多的優點和可靠的財力支持很有可能倒在顛覆半導體制造方式的征程上。
因此，筆者不看好非傳統半導體材料或是工藝的進步能夠改變目前我國“缺芯少魂”的現狀。同時，發展這些新材料和新工藝做一些特殊領域的芯片也還是有相當的前途的，不能一概否定。
或許有些人會為我們沒能“彎道超車”在半導體制造工藝上追趕上國外而感到遺憾。不過大國造重器本來就沒有太多的投機取巧，既不能放棄對先進技術方向的探索，也要在傳統方向上一步一個腳印的追趕。
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