半金属铋重磅登场!台积电实力雄厚不容小觑 半导体行业风起云涌

半导体行业的重要性不言而喻，它是各种高新技术升级的基础，渗透于各种顶尖技术领域。从今年3月份左右，英特尔高调宣布进军晶圆代工业务，斥资200亿美元建厂。随后4月初，台积电就宣布未来三年内将投资1000亿美元，增加芯片产能，以应对缺芯危机。紧接着，三星电子在上周四表示，到2030年，他们将在非存储芯片领域投资171万亿韩元，折合约1514.5亿美元，较此前计划的133万亿韩元有明显增加。

这段时间内，有新看点的还是美国科技巨头IBM突然宣布，已经造出了全球第一颗2nm制程半导体芯片，据官方介绍称，新的技术可以在150平方毫米大小面积内，容纳500亿颗晶体管。他们这颗2nm芯片在运行速度和能效上有着很大的提升。相比市面上主流的7nm芯片，IBM这颗2nm芯片的计算速度至少要提升45%，能耗降低 75%。得益于能耗的降低，这颗芯片也可以提升手机的电池寿命，相比7nm芯片，最高可提升4倍。

读者以为这样就接近尾声了吗？并不是！就在近日，台大与台积电、美国麻省理工学院合作研究发现二维材料结合「半金属铋（Bi）」能达极低电阻，接近量子极限。这次研发的秘密武器更有助实现半导体1nm以下制程挑战。目前，半导体主流制程主要采用硅作为主流材料。然而，随着摩尔定律不断延伸，芯片制程不断缩小，芯片单位面积能容纳的电晶体数目，也将逼近半导体主流材料硅的物理极限，芯片的性能也很难再进一步提升。

也许大家都很好奇，为什么偏偏就是“铋”呢？

铋，是一种金属元素，元素符号为Bi，原子序数为83，位于元素周期表第六周期V A族。单质为银白色至粉红色的金属，质脆易粉碎，铋的化学性质较稳定。铋在自然界中以游离金属和矿物的形式存在。以前铋被认为是相对原子质量最大的稳定元素，但在2003年，发现了铋有极其微弱的放射性，同时测定了它的半衰期长达1.9×1019年。这意味着或许在人类灭亡之前，铋也不会发生可见的衰变。

半导体新材料—铋（Bi）研究成果，已经在知名国际期刊Nature发表。据悉，美国麻省理工团队首先发现在二维材料上搭配半金属铋（Bi）的电极，能大幅降低电阻并提高传输电流。随后台积电技术研究部门将铋（Bi）沉积制程进行优化，台湾大学团队并运用氦离子束微影系统将元件通道成功缩小至纳米尺寸，最终这项研究成果获得了突破性的进展。论文中写道，目前硅基半导体已经推进到5nm和3nm，单位面积容纳的晶体管数量逼近硅材料物理极限，效能无法逐年显著提升。此前，二维材料被业内寄予厚望，却始终掣肘于高电阻、低电流等问题。

还有消息得知，台积电已正式宣布加入美国半导体联盟，该联盟是高通、英特尔以及ASML等64家企业组成的。其已经开始大力在美国投资建厂，原本计划投资120亿美元，但可能将投资扩大到390亿美元，建设6座5nm芯片工厂，占台积电5nm芯片产能的一半。值得关注的是在四月下旬的时候，台积电已经更新了其制程工艺路线图，台积电计划在今年开始风险生产4nm工艺制程，2022年实现量产，而3nm制程则将在2022年下半年开始生产，并表示未来的2nm工艺正在研发之中。随着芯片制程的不断延伸，每突破一步都是非常困难，在未来1nm甚至1nm以下的工艺中，如何能够把控好性能与功耗之间的平衡是目前需要突破的一大技术瓶颈。