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华为布局第三代半导体能否解决卡脖子问题?这会是南辕北辙还是遍地开花?

2020/11/21 10:40:14      材料来源:腾讯网

面对美国的高端芯片制裁禁令,华为全资子公司哈勃投资近期频频投资国内第三代半导体领域的公司。外界普遍认为华为在布局芯片产业,并期望华为凭一己之力能够带动整个国内半导体产业的发展。那华为的这些行动,能给自己带来转机,并一举解决高端芯片被卡脖子的问题么?想要知道答案,就需要对第一代、第二代和第三代半导体有简单的了解,它们分别是什么,能解决什么需求?

 

第一代半导体

第一代半导体主要是硅、锗。尤其是硅,天然储量高,制造的半导体器件,耐高温和抗辐射性能较好。硅基半导体的典范就是电脑芯片,卡住华为脖子的5nm高端芯片就是硅基芯片。

硅基半导体的出现,解决了什么重要需求呢?这个重要需求就是计算。计算的需求一直伴随着人类文明的发展过程。欧洲人发明的计算尺,计算种,以及我国的算盘,都是解决计算需求的工具。尤其是1665年牛顿发明了微积分以后,物理和数学上的计算需求日益增大。转机出现在1907年,德福雷斯特发明了真空三极管,也可以当作压控开关,而电子开关是二进制计算设备的基础器件,开和关两个状态正好代表二进制的0和1。到了二战期间,弹道计算、密码分析等工作提出了更高的计算要求,美国陆军设立了弹道研究实验室,提出“高速电子管计算装置”的设想,1946年第一台真空电子管计算机ENIAC建成,就是下面这个样子。


真空电子管计算机ENIAC


技术的发展很快,1947年晶体管诞生

单个晶体管


1954年晶体管电子计算机TRADIC诞生,是下面这个样子。


晶体管电子计算机TRADIC


一开始的晶体管材料是锗,后来有了硅制成的晶体管,耐高温和抗辐射性能更强。然而技术的进步并没有停止,科学家发现在同一片硅上面可以做出多个晶体管,随着工艺的提高,单位面积上的晶体管数量越来越多,集成度越来越高,于是CPU出现了。到了现在,已经有了5nm工艺,最新麒麟9000芯片上面集成的晶体管数量更是达到了惊人的153亿个。

麒麟9000晶体管数量


所以,第一代半导体解决的主要是计算设备微型化的需求。晶体管的密度越大,意味着计算效率越高。第一代半导体的产业发展过程是漫长的,而国外尤其是美国在这个过程中积累的经验也让他建立起很高的技术壁垒,所以才能够卡住我们的脖子。


第二代半导体

第二代半导体材料主要有砷化镓和磷化铟,他解决了什么需求呢?这个需求就是通信。随着第一代半导体的发展,电脑的普及度越来越高,而联网的需求也越来越迫切。大家都知道光是速度最快的传输方式,所以长距离信息传输的重任落到了光通信和微波上。但是硅基材料由于本身特性的限制,使其无法在光电子领域应用。所以,以砷化镓和磷化铟为代表的半导体器件应运而生,成为了光通信、微波通信、卫星通信和移动通信中的关键器件。

微波通信设备


华为在通信上有布局很全,要不然也不会成为通信领域的No.1,在这一领域也很难卡到华为的脖子。然而第二代半导体的最大作用就是通信器件,解决的问题是通信而不是计算,所以不可能解决华为在第一代半导体中被卡脖子的局面。砷化镓和磷化铟等第二代半导体由于是化合物需要合成,而原料料稀缺,所以价格相对较高,并且对环境危害性较大,因此就发展出了第三代半导体材料。


第三代半导体

第三代半导体以氮化镓和碳化硅为主。那第三代半导体解决的是什么需求呢?主要是两个需求,一是第二代半导体的局限,二是能源,具体来说是电能。第三代半导体具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐射能力等优异性能。说人话就是:第三代半导体适合制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件。其中氮化镓主要应用在光电器件和微波射频领域,是第二代半导体的替代。而碳化硅适合于智能电网、新能源汽车、高速轨道交通等大功率应用场景。

英飞凌碳化硅MOSFET

和第二代一样,第三代半导体同样解决不了计算的需求。


结论

目前看,第一代半导体硅制成的芯片仍然是解决人类计算需求的最好方式。虽然硅基材料的加工技术会达到天花板,1nm以后到底怎样没人清楚。但是目前仍然没有更好的替代材料。第二代半导体不是替代,第三代半导体依然不是替代。他们解决的就不是同一个需求。所谓的碳基芯片,还看不到影子,而华为要在英国建立的光芯片研发中心,解决的也不是计算的需求。量子计算机也仍然是个没影子的事情。从行业发展上,还看不到短期内能够替代硅基材料在计算领域地位的新材料。所以,让大家失望的是,华为在第三代半导体上的投入,解决不了芯片卡脖子的问题!

那华为在第三代半导体的投入就打水漂了么?也不尽然,第三代半导体还是有巨大的行业价值,只是这个价值不在计算领域。而华为在能源领域和光/微波等通信领域,都还在加大力度投入。尤其是能源领域,华为一方面在光伏领域深耕,另一方面华为也在新能源汽车领域激进的扩张。而第三代半导体的投入,将会让华为在新的赛场上占据主动。得碳化硅者虽然得不到天下,也能够让自己屹立于天下!


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