?石墨烯將取代硅成為半導(dǎo)體行業(yè)主要材料

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半導(dǎo)體公司發(fā)現(xiàn)自己處境艱難。數(shù)十年來，硅的常規(guī)創(chuàng)新使該行業(yè)一直保持盈利和不斷取得令人印象深刻的性能改進(jìn)。最近，企業(yè)越來越難以從硅中獲取更多價(jià)值。這種困境讓企業(yè)一直在思索用什么材料來取代硅以及何時(shí)取代硅。以石墨烯為例，它被譽(yù)為是一種具有等同于或超越硅性能潛力的奇跡材料。然而，這種材料的商業(yè)化可能需要25年的時(shí)間，需要在研發(fā)和資本成本上投入大量資金才能將其投入生產(chǎn)。由于目前大量的資金都被分配給了硅，公司高管們必須確定合適的時(shí)機(jī)，將重心轉(zhuǎn)向下一種物質(zhì)——即使效果不一定得到保證。



從突破性發(fā)現(xiàn)到變革型工業(yè)應(yīng)用的道路可能是漫長且迂回的。通常，緊隨第一次可能的重大發(fā)現(xiàn)是幾十年的開發(fā)、改進(jìn)和試驗(yàn)。即便如此，也無法保證一定會成功。世界各地的實(shí)驗(yàn)室里到處都充斥著曾經(jīng)很有前途的技術(shù)，但這些技術(shù)從未在市場上獲得商業(yè)用途。這一先例讓高管們在決定何時(shí)何地投資新興創(chuàng)新時(shí)舉棋不定。對于每一個把賭注押在新興數(shù)字技術(shù)上的公司來說，有數(shù)十個競爭對手完全錯過了這股潮流，他們必須迎頭趕上。時(shí)間將會告訴我們，柯達(dá)最近進(jìn)軍比特幣行業(yè)，是一項(xiàng)孤立的舉措，還是一個有先見之明的長期戰(zhàn)略。

挑戰(zhàn)遠(yuǎn)不止石墨烯，隨著半導(dǎo)體公司尋求識別并利用下一波創(chuàng)新成果，高管們必須采取不同的方式。要理解看似完全不同的開發(fā)材料如何能夠創(chuàng)建新的業(yè)務(wù)模型和應(yīng)用程序，就需要一個更廣泛的視角。半導(dǎo)體公司的高管們應(yīng)該利用這一視角，制定一個長期戰(zhàn)略，在監(jiān)控新生創(chuàng)新技術(shù)的同時(shí)，從現(xiàn)有材料和技術(shù)中提取價(jià)值。這種思維模式將使企業(yè)在未來幾年既能應(yīng)對已知挑戰(zhàn)，又能應(yīng)對未知挑戰(zhàn)。



硅：舉步維艱？



硅，半導(dǎo)體工業(yè)中使用的主要材料，歷史上一直與摩爾定律的地位一致，帶來了史無前例的進(jìn)步。先進(jìn)的分析技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、自動駕駛汽車、數(shù)字技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等顛覆性和變革性的技術(shù)，都是現(xiàn)代生活中最先進(jìn)的科技創(chuàng)新技術(shù)，都對硅材料性能的進(jìn)一步改善提出了更高的要求。然而，人們對硅的未來及其支持創(chuàng)新的能力提出了嚴(yán)重的質(zhì)疑：以下三種趨勢可以表明這點(diǎn)。



性能改進(jìn)緩慢導(dǎo)致定價(jià)壓力



硅為設(shè)計(jì)師和工程師提供了大展身手的舞臺，數(shù)十年來硅的性能不斷得到提升?？纯?0世紀(jì)70年代的數(shù)據(jù)就會發(fā)現(xiàn)這些性能呈指數(shù)級改進(jìn)。然而，近年來這一速度明顯放緩。個人電腦的處理能力已經(jīng)趨于平穩(wěn)，智能手機(jī)處理器性能的提高也開始放緩——簡而言之，硅正在進(jìn)入衰退期(見表1)。這些趨勢意味著，在持續(xù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上建立競爭優(yōu)勢的公司，隨著其他公司的發(fā)展，它們的領(lǐng)先地位開始下降。



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資金和研發(fā)成本不斷上升



隨著半導(dǎo)體公司轉(zhuǎn)向下一代晶圓廠，它們的成本會繼續(xù)上升。為了實(shí)現(xiàn)性能提升，我們估計(jì)公司必須增加高達(dá)40%的資本支出(對新設(shè)備的要求)和150%的研發(fā)支出才能達(dá)到相同的吞吐量(見表2)。資本成本增加的主要原因在于生產(chǎn)設(shè)備，自從該行業(yè)向多重圖式過渡以來，已增加了約20億美元。毫不奇怪，集成設(shè)備制造商迅速增加了在領(lǐng)先節(jié)點(diǎn)技術(shù)上的研發(fā)投資。



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硅的物理限制



除了商業(yè)上的挑戰(zhàn)，硅性能是否會持續(xù)改進(jìn)也是不確定的，因?yàn)閯?chuàng)新已經(jīng)達(dá)到材料的物理局限性。例如，節(jié)點(diǎn)長度正在接近傳導(dǎo)通道寬度，這會致使性能受到嚴(yán)重限制:硅晶體管將由于隧道效應(yīng)、泄漏和熱問題等小維度的量子效應(yīng)而停止工作。光刻、儀器和納米結(jié)構(gòu)制造的局限性也將阻礙進(jìn)步。



為什么石墨烯可以改變目前的困境?



該行業(yè)正在試驗(yàn)幾種奇異的新材料，包括硅烯、鍺烯和黑磷，但石墨烯被吹捧為最有潛力的材料(見表3)。



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2004年，英國曼徹斯特大學(xué)(University of Manchester)的兩位研究人員發(fā)現(xiàn)了一種原子厚度的石墨烯，這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們的猜想，即它可能成為硅的高級替代品。石墨烯的特性讓各行各業(yè)的公司垂涎三尺:據(jù)估計(jì)，石墨烯的移動性約是硅的250倍，它的靈活性和其他特性使它成為從電池技術(shù)到觸摸屏等光電子產(chǎn)品等一系列應(yīng)用的理想選擇。最近的專利、學(xué)術(shù)論文和研究論文證明了人們對石墨烯的廣泛興趣。



盡管如此，石墨烯的采用還是很困難的。那么是什么阻礙了石墨烯的采用呢?我們已經(jīng)確定了四種限制，兩個技術(shù)限制和兩個工業(yè)限制。在技術(shù)方面，帶隙工程仍然是一個主要障礙:沒有帶隙，石墨烯開關(guān)就無法關(guān)閉。在過去的十年里，研究人員專注于解決這個問題，但尚未破解這個問題。此外，石墨烯制造必須產(chǎn)生高質(zhì)量的晶體，并與現(xiàn)有的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件兼容。在工業(yè)方面，晶圓廠需要投入大量資金，但半導(dǎo)體公司的大部分資源與目前的晶圓廠改善計(jì)劃有關(guān)。此外，硅已經(jīng)擁有了一個集成的價(jià)值鏈，但要為石墨烯重新創(chuàng)造一個價(jià)值鏈需要數(shù)十億美元的投資。



考慮到這些不確定性，我們預(yù)計(jì)石墨烯的采用和市場增長將分為三個階段:增強(qiáng)劑階段、替換硅階段和革命性電子階段(見表4)。



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在近期，我們期望石墨烯可以作為硅的增強(qiáng)劑，因?yàn)槭┑谋Ｗo(hù)層可以用來提高互連的可靠性和性能。目前，銅互連上采用了14個納米氮化鉭金屬屏障，以防止擴(kuò)散到硅中。在小于10納米的間隙中，擴(kuò)散成為設(shè)備故障的主要原因。石墨烯屏障比釕和鈷等其它替代物具有幾個優(yōu)勢，包括保護(hù)能力更好、只有它們的1/8大小、互連速度快30%左右。



石墨烯目前無法大規(guī)模應(yīng)用的主要原因有兩個。石墨烯的轉(zhuǎn)移和涂層過程的要求需要在制造過程中得到充分發(fā)展和整合。此外，石墨烯的成本必須大幅降低，才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。我們預(yù)計(jì)，至少需要5到10年的時(shí)間來解決這些問題后，石墨烯才能成為硅的一種可行替代品。



在未來的10到25年里，石墨烯將取代硅作為半導(dǎo)體的主要材料，前提是研究人員能夠找到克服其帶隙限制的方法。即便如此，石墨烯將在應(yīng)用程序中利用其技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)(如高速、低損耗、規(guī)模小和靈活性)比其他材料更適合電子應(yīng)用程序(見表5)。我們的分析計(jì)算了數(shù)據(jù)處理、無線通信和消費(fèi)電子產(chǎn)品中石墨烯的總可尋址市場價(jià)值將為1900億美元。



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總體而言，樂觀的預(yù)測顯示，到2030年，石墨烯半導(dǎo)體的市場價(jià)值有望達(dá)到700億美元左右。



領(lǐng)先的半導(dǎo)體企業(yè)應(yīng)該如何發(fā)展？



歷史表明，有些技術(shù)需要很長時(shí)間才能商業(yè)化，但一旦進(jìn)入市場，它們就能迅速改變行業(yè)。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，有過利用廣泛網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)下一個革命性技術(shù)的公司，往往更有能力承受行業(yè)顛覆。



石墨烯的前景受到所討論的嚴(yán)峻技術(shù)和商業(yè)挑戰(zhàn)所抵消，這些挑戰(zhàn)可能阻礙石墨烯作為硅替代物的使用。因此，在評估石墨烯的真正潛力時(shí)，半導(dǎo)體行業(yè)的高管們應(yīng)該使用結(jié)構(gòu)化創(chuàng)新方法來評估他們的選擇。創(chuàng)新x射線由三個類別(創(chuàng)新戰(zhàn)略、技術(shù)中斷和創(chuàng)新實(shí)踐(見表6))的10大問題組成。解決這些問題可以幫助企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者在追求創(chuàng)新的同時(shí)更好地了解其組織的能力，并支持在使用石墨烯或不使用石墨烯的情況下探索不同的方案。其結(jié)果是制定了一項(xiàng)戰(zhàn)略，為企業(yè)進(jìn)行顛覆性的、技術(shù)驅(qū)動的行業(yè)變革做好準(zhǔn)備。

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在對硅進(jìn)行了長期且富有成效的開發(fā)后，高管們開始考慮用什么來取代硅，并提供類似的創(chuàng)新曲線。石墨烯的特性激發(fā)了人們的想象力，但到目前為止，它的物理局限使它無法被命名為硅的繼承人。最近的技術(shù)創(chuàng)新歷史表明，發(fā)展態(tài)勢可能會迅速發(fā)生改變——因此，高管們應(yīng)該把石墨烯視為一個有力的競爭者。無論最終結(jié)果如何，半導(dǎo)體企業(yè)都可以通過采用專注于結(jié)構(gòu)化創(chuàng)新的思維模式來定位自己，以應(yīng)對顛覆性技術(shù)，并使自己在競爭中脫穎而出。

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