芯片的“脖子”卡在哪

“芯片设计之母”—— EDA

EDA（电子设计自动化）是电子设计的基石产业，在精密制造领域，更是精密器件生产、加工和测试的基础。可以说，掌握了最优的EDA，就有了高端工业领域的主导权。

EDA 被称为“芯片设计之母”，是利用计算机辅助设计软件完成芯片的功能设计、综合、验证等流程的设计方式。EDA 是芯片产业的技术源头，也是中国芯片产业结构中最薄弱的环节。

EDA 布局布线设计是其中重要一环，就像房屋装修前，要让各种家具家电、电线网络布局在最合适的地方，做到既美观又节省空间，还能完美互联互通。这就需要一个最优的“施工图”。芯片等精密器件只有指甲盖大小，却要加载百亿个单元，相互联结的线路更复杂，只能通过算法去设计最优“施工图”实现。

在2021 年计算机辅助设计国际会议上，华中科技大学计算机学院吕志鹏教授团队摘得电子设计自动化布局布线算法竞赛全球冠军。

图7 吕志鹏教授（中）及其团队成员（图/长江云）

必须翻越的高峰——光刻机

光刻机是制造芯片最重要的设备之一，是迄今为止人类所能制造的最精密的装备，被誉为集成电路产业链“皇冠上的明珠”。

光刻也被称作“微影制程”，是将光罩上具有各种电子特性的区域图即电路图形，微缩并曝光成像在晶圆上，为流程中的后续步骤打好基础。光刻机的投影物镜被誉为成像光学的最高境界，其波像差需要控制到亚纳米量级，甚至接近零像差，这对投影物镜的生产、检测与控制都提出了极为严苛的要求。

光刻机在工作时，需要工件台和掩模台在高速运动过程中始终保持几纳米的同步精度。

图8 荷兰ASML 是全球光刻机领域的龙头企业 (图/ASML)

能否靠“碳”超车

碳基芯片是基于纳米碳材料晶体管制造的芯片，被认为是最有可能代替硅基芯片的次时代技术。

石墨烯和纳米碳管特殊的几何结构，使得电子在材料中的传输速度大大超出了目前的硅基材料。同时，纳米碳结构中没有金属中那种可以导致原子运动的低能缺陷或位错，使得其能承受的电流强度远远高出目前集成电路中铜互连能承受的电流上限，这些性质使得纳米碳成为最理想的纳米尺度的导电材料。

图9 我国碳基半导体制备材料研制取得突破(图/央视新闻网截图)

我国科研团队在10.16 厘米的基底上制备出密度高达每微米120 根、半导体纯度超过99.999 9%的碳纳米管平行阵列，并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS 的晶体管和电路，成功突破了长期以来阻碍碳纳米管电子学发展的瓶颈。

相比传统硅基技术，碳基半导体具有成本低、功耗小、效率高的优势，因此也被视为性能更好的半导体材料。与国外硅基技术制造的芯片相比，我国碳基技术制造的芯片在处理大数据时不仅速度更快，而且至少能节约30%左右的功耗。这或将使我国芯片制造行业在新赛道上突破“卡脖子”技术成为可能。