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石墨烯有望取代硅为半导体行业带来下一个春天?

从突破性发现到变革型工业应用的道路可能是漫长且迂回的。通常,紧随第一次可能的重大发现是几十年的开发、改进和试验。即便如此,也无法保证一定会成功。世界各地的实验室里到处都充斥着曾经很有前途的技术,但这些技术从未在市场上获得商业用途。这一先例让高管们在决定何时何地投资新兴创新时举棋不定。对于每一个把赌注押在新兴数字技术上的公司来说,有数十个竞争对手完全错过了这股潮流,他们必须迎头赶上。时间将会告诉我们,柯达最近进军比特币行业,是一项孤立的举措,还是一个有先见之明的长期战略。

半导体公司发现自己处境艰难。数十年来,硅的常规创新使该行业一直保持盈利和不断取得令人印象深刻的性能改进。最近,企业越来越难以从硅中获取更多价值。这种困境让企业一直在思索用什么材料来取代硅以及何时取代硅。以石墨烯为例,它被誉为是一种具有等同于或超越硅性能潜力的奇迹材料。然而,这种材料的商业化可能需要25年的时间,需要在研发和资本成本上投入大量资金才能将其投入生产。由于目前大量的资金都被分配给了硅,公司高管们必须确定合适的时机,将重心转向下一种物质——即使效果不一定得到保证。

挑战远不止石墨烯:随着半导体公司寻求识别并利用下一波创新成果,高管们必须采取不同的方式。要理解看似完全不同的开发材料如何能够创建新的业务模型和应用程序,就需要一个更广泛的视角。半导体公司的高管们应该利用这一视角,制定一个长期战略,在监控新生创新技术的同时,从现有材料和技术中提取价值。这种思维模式将使企业在未来几年既能应对已知挑战,又能应对未知挑战。

硅:举步维艰?

硅,半导体工业中使用的主要材料,历史上一直与摩尔定律的地位一致,带来了史无前例的进步。先进的分析技术、增强现实技术、自动驾驶汽车、数字技术和物联网等颠覆性和变革性的技术,都是现代生活中最先进的科技创新技术,都对硅材料性能的进一步改善提出了更高的要求。然而,人们对硅的未来及其支持创新的能力提出了严重的质疑:以下三种趋势可以表明这点。

性能改进缓慢导致定价压力

硅为设计师和工程师提供了大展身手的舞台,数十年来硅的性能不断得到提升。看看20世纪70年代的数据就会发现这些性能呈指数级改进。然而,近年来这一速度明显放缓。个人电脑的处理能力已经趋于平稳,智能手机处理器性能的提高也开始放缓——简而言之,硅正在进入衰退期(见表1)。这些趋势意味着,在持续创新的基础上建立竞争优势的公司,随着其他公司的发展,它们的领先地位开始下降。

资金和研发成本不断上升

随着半导体公司转向下一代晶圆厂,它们的成本会继续上升。为了实现性能提升,我们估计公司必须增加高达40%的资本支出(对新设备的要求)和150%的研发支出才能达到相同的吞吐量(见表2)。资本成本增加的主要原因在于生产设备,自从该行业向多重图式过渡以来,已增加了约20亿美元。毫不奇怪,集成设备制造商迅速增加了在领先节点技术上的研发投资。

硅的物理限制

除了商业上的挑战,硅性能是否会持续改进也是不确定的,因为创新已经达到材料的物理局限性。例如,节点长度正在接近传导通道宽度,这会致使性能受到严重限制:硅晶体管将由于隧道效应、泄漏和热问题等小维度的量子效应而停止工作。光刻、仪器和纳米结构制造的局限性也将阻碍进步。

为什么石墨烯可以改变目前的困境?

该行业正在试验几种奇异的新材料,包括硅烯、锗烯和黑磷,但石墨烯被吹捧为最有潜力的材料(见表3)。

2004年,英国曼彻斯特大学(University of Manchester)的两位研究人员发现了一种原子厚度的石墨烯,这一发现激发了人们的猜想,即它可能成为硅的高级替代品。石墨烯的特性让各行各业的公司垂涎三尺:据估计,石墨烯的移动性约是硅的250倍,它的灵活性和其他特性使它成为从电池技术到触摸屏等光电子产品等一系列应用的理想选择。最近的专利、学术论文和研究论文证明了人们对石墨烯的广泛兴趣。

尽管如此,石墨烯的采用还是很困难的。那么是什么阻碍了石墨烯的采用呢?我们已经确定了四种限制,两个技术限制和两个工业限制。在技术方面,带隙工程仍然是一个主要障碍:没有带隙,石墨烯开关就无法关闭。在过去的十年里,研究人员专注于解决这个问题,但尚未破解这个问题。此外,石墨烯制造必须产生高质量的晶体,并与现有的互补金属氧化物半导体(CMOS)器件兼容。在工业方面,晶圆厂需要投入大量资金,但半导体公司的大部分资源与目前的晶圆厂改善计划有关。此外,硅已经拥有了一个集成的价值链,但要为石墨烯重新创造一个价值链需要数十亿美元的投资。

考虑到这些不确定性,我们预计石墨烯的采用和市场增长将分为三个阶段:增强剂阶段、替换硅阶段和革命性电子阶段(见表4)。

在近期,我们期望石墨烯可以作为硅的增强剂,因为石墨烯的保护层可以用来提高互连的可靠性和性能。目前,铜互连上采用了14个纳米氮化钽金属屏障,以防止扩散到硅中。在小于10纳米的间隙中,扩散成为设备故障的主要原因。石墨烯屏障比钌和钴等其它替代物具有几个优势,包括保护能力更好、只有它们的1 / 8大小、互连速度快30%左右。

石墨烯目前无法大规模应用的主要原因有两个。石墨烯的转移和涂层过程的要求需要在制造过程中得到充分发展和整合。此外,石墨烯的成本必须大幅降低,才能实现商业化大规模生产。我们预计,至少需要5到10年的时间来解决这些问题后,石墨烯才能成为硅的一种可行替代品。

在未来的10到25年里,石墨烯将取代硅作为半导体的主要材料,前提是研究人员能够找到克服其带隙限制的方法。即便如此,石墨烯将在应用程序中利用其技术的优点(如高速、低损耗、规模小和灵活性)比其他材料更适合电子应用程序(见表5)。我们的分析计算了数据处理、无线通信和消费电子产品中石墨烯的总可寻址市场价值将为1900亿美元。

总体而言,乐观的预测显示,到2030年,石墨烯半导体的市场价值有望达到700亿美元左右。

领先的半导体企业应该如何发展?

历史表明,有些技术需要很长时间才能商业化,但一旦进入市场,它们就能迅速改变行业。根据我们的经验,有过利用广泛网络发现下一个革命性技术的公司,往往更有能力承受行业颠覆。

石墨烯的前景受到所讨论的严峻技术和商业挑战所抵消,这些挑战可能阻碍石墨烯作为硅替代物的使用。因此,在评估石墨烯的真正潜力时,半导体行业的高管们应该使用结构化创新方法来评估他们的选择。创新x射线由三个类别(创新战略、技术中断和创新实践(见表6))的10大问题组成。解决这些问题可以帮助企业领导者在追求创新的同时更好地了解其组织的能力,并支持在使用石墨烯或不使用石墨烯的情况下探索不同的方案。其结果是制定了一项战略,为企业进行颠覆性的、技术驱动的行业变革做好准备。

在对硅进行了长期且富有成效的开发后,高管们开始考虑用什么来取代硅,并提供类似的创新曲线。石墨烯的特性激发了人们的想象力,但到目前为止,它的物理局限使它无法被命名为硅的继承人。最近的技术创新历史表明,发展态势可能会迅速发生改变——因此,高管们应该把石墨烯视为一个有力的竞争者。无论最终结果如何,半导体企业都可以通过采用专注于结构化创新的思维模式来定位自己,以应对颠覆性技术,并使自己在竞争中脱颖而出。

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