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科技:中国发展半导体能“弯道超车”?误会有点太多了

观察者网 2020-10-13 10:39:51

【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。

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