騰訊財(cái)經(jīng)智庫特約 陳一佳 《創(chuàng)業(yè)美國》制片人
1965年，英特爾的創(chuàng)始人之一摩爾的一篇論文宣布了摩爾定律的誕生，他預(yù)測每過18到24個月，同樣價(jià)錢的集成電路上的元器件的數(shù)目，也就是說效率會提高一倍。這個定律在半個多世紀(jì)的時(shí)間里一直被看作是半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展的金科玉律。但是摩爾當(dāng)年似乎沒有想過這個定律失效后，會怎么樣，要怎么辦。而這個問題隨著我們步入2015年，成為了整個行業(yè)要面對的重大挑戰(zhàn)。
關(guān)于摩爾定律將要失效的話題從2005年就開始浮現(xiàn)，預(yù)計(jì)2015年到2020年，行業(yè)發(fā)展速度就會和摩爾定律分道揚(yáng)鑣。而2010年起，半導(dǎo)體技術(shù)的提高速度就開始出現(xiàn)放緩，翻番的周期開始延長到3年。
可能不少人會覺得半導(dǎo)體聽起來和日常的生活有些遙遠(yuǎn)，為什么它的發(fā)展速度會那么重要。要知道從電腦，到手機(jī)，到智能穿戴產(chǎn)品，由半導(dǎo)體制造的芯片就是這些產(chǎn)品的核心，不但我們每天的生活都有這些芯片如影隨形。而且，芯片的速度，很大程度上決定了這些電子產(chǎn)品的表現(xiàn)。所以想要開發(fā)更好，更快，更輕便的新一代電子產(chǎn)品，提高芯片的速度，降低成本，是不可或缺的技術(shù)基礎(chǔ)。這方面發(fā)展速度開始剎車，會觸及到很多行業(yè)的疼點(diǎn)。我們的手機(jī)，電腦，能不能繼續(xù)變得更輕，更薄，和更便宜就成了未知數(shù)。
很多行業(yè)大卡把這看作是一次行業(yè)洗牌的機(jī)會，而創(chuàng)新企業(yè)則認(rèn)為這帶來了顛覆行業(yè)格局的機(jī)會。一場暴風(fēng)驟雨正在悄然興起。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體最常使用的原料就是硅。包括今天知名的硅谷，最初得此名，就是因?yàn)樯蟼€世紀(jì)70，80時(shí)代，當(dāng)?shù)丶辛艘慌雽?dǎo)體公司。硅，這種材料按照現(xiàn)有的工藝，在設(shè)計(jì)上會本身就帶有限制，被看作是半導(dǎo)體發(fā)展的核心阻礙之一。換句話說，開發(fā)新材料，以及新的制作工藝成為了行業(yè)競爭的核心。
IBM在去年中宣布，未來5年，將投入30億美元進(jìn)行半導(dǎo)體的開發(fā)，其中有一個重要的內(nèi)容就是尋求硅以外的半導(dǎo)體材料，比如石墨烯，和碳納米管。特別是碳納米管，被看作是取代硅的熱門候選人。早在1997年，IBM和荷蘭的Delft大學(xué)就開發(fā)過首個碳納米管的晶體管。到2013年，斯坦福的實(shí)驗(yàn)室里，還通過碳納米管制作了電腦。硅，在發(fā)展更小半導(dǎo)體組成晶體管的最大阻力是，體積越小，消耗的能量就越大，產(chǎn)熱極大。通過碳納米管組成的晶體管，同等條件下，只需要1／3的能源。同時(shí)也被證明是可以大規(guī)模生產(chǎn)的，但真正走出實(shí)驗(yàn)室可能還要10到15年的時(shí)間。
另一個被看好的材料就是鍺，1947年誕生的第一個晶體管就是用鍺制造。但是當(dāng)時(shí)因?yàn)楣に嚨膯栴}，硅成為了更加主流的半導(dǎo)體生產(chǎn)材料。而隨著摩爾定律逐漸開始實(shí)效，技術(shù)開發(fā)人員再次把目光放在了鍺的身上。過去技術(shù)上，存在的鍺生產(chǎn)的晶體管，難以集成的問題開始被解決。全年年底，在舊金山舉行的國際電子產(chǎn)品大會上，普渡大學(xué)的研究人員還展現(xiàn)了用鍺制造的電路，并認(rèn)為只要幾年時(shí)間就可以進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)。斯坦福的教授Krishna Saraswat曾經(jīng)發(fā)表論文，認(rèn)為同等條件下，鍺為原料的晶體管是硅為原料的晶體管效能的兩到三倍。而且因?yàn)槭菃我徊牧?，對于整個行業(yè)，可能更容易普及。
初次之外，鉆石也進(jìn)入了一些科學(xué)家的視野。這種被稱作“女人最好的朋友”的美麗石頭，因?yàn)榫哂信c眾不同的導(dǎo)電性，而被看作可以改變電子產(chǎn)品發(fā)展的重要材料。我們之前說過，硅，在半導(dǎo)體發(fā)展上，處理散熱和耗能是發(fā)展的大的阻礙。而鉆石具有極高的耐熱性，而散熱能力更是硅的22倍，這成了它最有競爭里的閃光點(diǎn)。同時(shí)在技術(shù)表現(xiàn)上，也有很多優(yōu)勢，當(dāng)然不可忽視的是，成本可能是最大的挑戰(zhàn)。當(dāng)然鉆石已經(jīng)不需要依靠天然的生成，而在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行培養(yǎng)，但是依然不是廉價(jià)品。不過已經(jīng)有像AKHAN Semiconductor這樣的新興公司投入這類技術(shù)的開發(fā)。
當(dāng)然也不是所有人都在拋棄硅，技術(shù)上的革新，也是開發(fā)人員尋求突破的方向之一。比如說大公司IBM的芯片開發(fā)計(jì)劃的內(nèi)容，除了包含了對新材料的探索，也在探索如何挑戰(zhàn)常用的工藝，降低耗能，提高效率。一個就是使用單層原子的硅片，這可以大大減少半導(dǎo)體材料的厚度。不過問題在于其穩(wěn)定性，德克薩斯大學(xué)奧斯丁分校的研究人員現(xiàn)在使用鍍銀和鋁的方式來防止單層原子硅片和空氣接觸，在進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)前可能還要面對很多挑戰(zhàn)。
另外在實(shí)際應(yīng)用上，為了提高效率，開始有人嘗試鐵電技術(shù)的使用，生產(chǎn)出的記憶存儲可以突顯低耗能，高效率等特點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)半導(dǎo)體存儲器的動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM），期待會有表現(xiàn)上會有大的飛躍。如德州儀器這樣的大型公司從2010年就開始了這方面的開發(fā)。另外一個創(chuàng)新企業(yè)Alacrity，它的創(chuàng)始人，耶魯大學(xué)教授TP Ma多年來致力于鐵電應(yīng)用的研究，并具有這方面的專利。他告訴筆者，近年來材料技術(shù)上的突破，讓自己的研究成果能夠應(yīng)用到大規(guī)模生產(chǎn)上變成可能。更因?yàn)樗鼈儗⑦€是依賴于硅，而已成本上比其他的替代材料，來得要便宜。他們會在今年5月，生產(chǎn)出第一批的模型。并期待用出讓專利權(quán)的方式，推進(jìn)他們技術(shù)在行業(yè)中的發(fā)展。
半導(dǎo)體行業(yè)面對的新挑戰(zhàn)，也帶來了整個行業(yè)創(chuàng)新企業(yè)的春天。很長一段時(shí)間，半導(dǎo)體行業(yè)沒有出現(xiàn)讓人興奮的新名字。但是近幾年，除了出現(xiàn)剛才提到的Alacrity，AKHAN Semiconductor，還涌現(xiàn)了很多其他半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)新企業(yè)，比如Brain Corp., Adesto Technologies等，他們也被看作是帶來行業(yè)轉(zhuǎn)機(jī)的希望，很多大型科技公司都是他們的投資人。這個行業(yè)創(chuàng)業(yè)氣息改變還有一個證據(jù)，就是有了專門培養(yǎng)半導(dǎo)體創(chuàng)新企業(yè)的孵化器，如Silicon Catalyst。讓很長時(shí)間，被創(chuàng)新忘記的半導(dǎo)體行業(yè)，再次迸發(fā)出革新的聲音。當(dāng)然，到底什么會成為未來行業(yè)的主流，還不得而知，但是成本，效率和操作性，三大因素，一定還將是決定性的。
