半導體公司發現自己處境艱難。數十年來，硅的常規創新使該行業一直保持盈利和不斷取得令人印象深刻的性能改進。最近，企業越來越難以從硅中獲取更多價值。這種困境讓企業一直在思索用什么材料來取代硅以及何時取代硅。以石墨烯為(wei)例，它(ta)被(bei)譽為(wei)是一種(zhong)具有等同于或(huo)超越硅性能潛力的奇跡材料。然(ran)而，這種(zhong)材料的商(shang)業化可能需要25年的時(shi)間，需要在(zai)研(yan)發和(he)資本成本上投入(ru)大量資金(jin)才能將其投入(ru)生產。由于目前(qian)大量的資金(jin)都(dou)被(bei)分配給了硅，公司高管們必須確定(ding)合適的時(shi)機(ji)，將重心轉向下一種(zhong)物質(zhi)——即(ji)使效果不(bu)一定(ding)得(de)到(dao)保證。

       從(cong)突破性發(fa)現(xian)到(dao)變革(ge)型(xing)工業應(ying)用(yong)的道路可(ke)能(neng)是(shi)漫長且迂(yu)回的。通常(chang)，緊隨第(di)一次可(ke)能(neng)的重大發(fa)現(xian)是(shi)幾十(shi)年的開發(fa)、改進(jin)和試(shi)驗(yan)。即便如此，也無法保證一定(ding)會(hui)成功(gong)。世界(jie)各(ge)地的實驗(yan)室里到(dao)處(chu)都充(chong)斥著(zhu)曾經很有前途的技術，但這(zhe)(zhe)些技術從(cong)未(wei)在市場上獲得商(shang)業用(yong)途。這(zhe)(zhe)一先例讓高管(guan)們在決定(ding)何時何地投資新興(xing)創新時舉棋不定(ding)。對于每一個(ge)把賭注(zhu)押在新興(xing)數(shu)字(zi)技術上的公司來說，有數(shu)十(shi)個(ge)競爭(zheng)對手(shou)完全錯過(guo)了這(zhe)(zhe)股(gu)潮(chao)流，他(ta)們必須(xu)迎頭(tou)趕上。時間將會(hui)告訴(su)我們，柯達最近進(jin)軍比特幣行(xing)業，是(shi)一項孤立(li)的舉措，還是(shi)一個(ge)有先見(jian)之明(ming)的長期戰(zhan)略。

       半導體(ti)公(gong)司發現自己處境(jing)艱難。數十(shi)年來(lai)，硅(gui)的(de)(de)常規(gui)創新使該行業(ye)一(yi)直(zhi)保持盈(ying)利和不(bu)(bu)斷(duan)取得(de)令人印象深(shen)刻的(de)(de)性(xing)(xing)能改進(jin)。最近，企業(ye)越來(lai)越難以從硅(gui)中獲取更多價值。這種(zhong)困境(jing)讓(rang)企業(ye)一(yi)直(zhi)在(zai)思索用(yong)什么材料(liao)來(lai)取代硅(gui)以及何時(shi)取代硅(gui)。以石墨烯(xi)為(wei)(wei)例，它被譽為(wei)(wei)是一(yi)種(zhong)具有(you)等同于或超越硅(gui)性(xing)(xing)能潛力(li)的(de)(de)奇跡材料(liao)。然而，這種(zhong)材料(liao)的(de)(de)商業(ye)化可能需(xu)要(yao)25年的(de)(de)時(shi)間(jian)，需(xu)要(yao)在(zai)研發和資本成本上投入(ru)(ru)大量資金才能將其(qi)投入(ru)(ru)生產。由(you)于目前大量的(de)(de)資金都被分配給了硅(gui)，公(gong)司高(gao)管們必須(xu)確定(ding)合適的(de)(de)時(shi)機，將重心轉向(xiang)下一(yi)種(zhong)物(wu)質——即使效果不(bu)(bu)一(yi)定(ding)得(de)到保證。

       挑(tiao)戰遠不止石墨(mo)烯(xi)，隨(sui)著半導體公(gong)司(si)尋求識別并利用(yong)下一(yi)波(bo)創新(xin)成果，高管(guan)們必須采取不同的方式(shi)。要理(li)解看(kan)似完(wan)全不同的開發材(cai)料如何能(neng)夠創建新(xin)的業務(wu)模型和(he)(he)應(ying)用(yong)程序，就需要一(yi)個更(geng)廣泛(fan)的視角。半導體公(gong)司(si)的高管(guan)們應(ying)該利用(yong)這(zhe)一(yi)視角，制(zhi)定一(yi)個長期戰略，在(zai)(zai)監控新(xin)生創新(xin)技術的同時(shi)，從現(xian)有材(cai)料和(he)(he)技術中提取價(jia)值。這(zhe)種思維模式(shi)將(jiang)使企業在(zai)(zai)未來幾年既能(neng)應(ying)對已(yi)知挑(tiao)戰，又能(neng)應(ying)對未知挑(tiao)戰。

       硅：舉步維艱(jian)？

       硅，半導體工業中使用的(de)(de)(de)主要材料，歷史(shi)上(shang)一(yi)直與(yu)摩爾(er)定律的(de)(de)(de)地位一(yi)致，帶來(lai)了(le)史(shi)無前例的(de)(de)(de)進步。先進的(de)(de)(de)分(fen)析技(ji)(ji)(ji)術(shu)、增強現實技(ji)(ji)(ji)術(shu)、自動駕駛汽車(che)、數字技(ji)(ji)(ji)術(shu)和物聯(lian)網等顛覆性和變革性的(de)(de)(de)技(ji)(ji)(ji)術(shu)，都是現代(dai)生活中最先進的(de)(de)(de)科技(ji)(ji)(ji)創新技(ji)(ji)(ji)術(shu)，都對硅材料性能的(de)(de)(de)進一(yi)步改(gai)善提出了(le)更高的(de)(de)(de)要求。然而，人們對硅的(de)(de)(de)未來(lai)及其支持創新的(de)(de)(de)能力提出了(le)嚴重(zhong)的(de)(de)(de)質疑：以下三種趨(qu)勢(shi)可以表明這點。

       性能(neng)改進緩慢(man)導(dao)致定(ding)價壓力(li)

       硅為(wei)設計師和(he)工程師提供了大展身手的(de)(de)舞臺，數十(shi)年(nian)(nian)來(lai)硅的(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)(neng)不斷(duan)得到(dao)提升。看看20世紀(ji)70年(nian)(nian)代的(de)(de)數據就會發(fa)現這(zhe)(zhe)些(xie)性(xing)能(neng)(neng)(neng)呈(cheng)指(zhi)數級(ji)改進(jin)。然而(er)，近年(nian)(nian)來(lai)這(zhe)(zhe)一速度明顯(xian)放(fang)緩。個(ge)人(ren)電腦的(de)(de)處理能(neng)(neng)(neng)力已經趨(qu)于平穩，智能(neng)(neng)(neng)手機處理器性(xing)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)提高也開(kai)始(shi)放(fang)緩——簡(jian)而(er)言(yan)之，硅正(zheng)在進(jin)入(ru)衰(shuai)退期(見表1)。這(zhe)(zhe)些(xie)趨(qu)勢意味著，在持(chi)續創新的(de)(de)基礎上建立競爭優勢的(de)(de)公司，隨著其他公司的(de)(de)發(fa)展，它(ta)們的(de)(de)領先(xian)地位開(kai)始(shi)下降(jiang)。

       資金和研發成本不(bu)斷(duan)上升

       隨著半導體(ti)公(gong)司轉向下一代晶圓(yuan)廠(chang)，它們(men)的成(cheng)本會繼續上(shang)升。為了(le)實現性能(neng)提(ti)升,我們(men)估計公(gong)司必須增(zeng)加(jia)高(gao)達40%的資(zi)本支(zhi)出(對新設備(bei)的要(yao)求(qiu))和(he)150%的研發(fa)支(zhi)出才能(neng)達到相同(tong)的吞吐量(liang)(見(jian)表2)。資(zi)本成(cheng)本增(zeng)加(jia)的主要(yao)原(yuan)因(yin)在(zai)于(yu)生(sheng)產設備(bei),自從(cong)該行業(ye)向多重圖(tu)式過渡以來，已增(zeng)加(jia)了(le)約20億美元。毫不奇怪(guai)，集成(cheng)設備(bei)制造商迅速增(zeng)加(jia)了(le)在(zai)領先(xian)節點技術上(shang)的研發(fa)投(tou)資(zi)。

       硅的物理限制

       除了商業上的(de)(de)挑戰，硅(gui)性(xing)能(neng)是否會持(chi)續改(gai)進也(ye)是不確定的(de)(de)，因為創新已經達(da)到材料的(de)(de)物理局限性(xing)。例如，節點(dian)長度正在(zai)接近傳導通道(dao)寬度，這會致(zhi)使(shi)性(xing)能(neng)受到嚴重限制(zhi):硅(gui)晶體管將由于隧道(dao)效應、泄漏和(he)熱問題等小(xiao)維度的(de)(de)量子效應而停止工作(zuo)。光刻、儀器和(he)納(na)米(mi)結構制(zhi)造(zao)的(de)(de)局限性(xing)也(ye)將阻(zu)礙進步(bu)。

       為什(shen)么石墨(mo)烯可以改(gai)變(bian)目前的困(kun)境(jing)?

       該行業(ye)正在試驗幾種奇異的(de)新材料(liao)，包(bao)括(kuo)硅烯、鍺(zang)烯和(he)黑(hei)磷(lin)，但(dan)石墨烯被(bei)吹捧為最有潛(qian)力的(de)材料(liao)(見表(biao)3)。

2004年(nian)，英國曼徹(che)斯特(te)大學(xue)(University of Manchester)的(de)兩位研究人員發(fa)現了一種原子厚度的(de)石(shi)墨烯(xi)(xi)，這一發(fa)現激發(fa)了 人們(men)的(de)猜想，即它可能成(cheng)為(wei)硅的(de)高(gao)級替(ti)代品(pin)。石(shi)墨烯(xi)(xi)的(de)特(te)性讓(rang)各行各業的(de)公司垂涎三(san)尺:據估計(ji)，石(shi)墨烯(xi)(xi)的(de)移動性約是硅的(de)250倍，它的(de)靈活(huo)性和其(qi)他特(te)性使它成(cheng)為(wei)從電(dian)池技(ji)術到觸摸屏等(deng)光電(dian)子產品(pin)等(deng)一系列應用的(de)理(li)想選擇。最近的(de)專(zhuan)利、學(xue)術論文(wen)和研究論文(wen)證明了人們(men)對石(shi)墨烯(xi)(xi)的(de)廣(guang)泛興趣。

       盡管(guan)如此(ci)，石(shi)墨烯的(de)(de)(de)采(cai)用(yong)還是(shi)很困難的(de)(de)(de)。那么是(shi)什(shen)么阻礙(ai)了(le)(le)石(shi)墨烯的(de)(de)(de)采(cai)用(yong)呢?我們已經(jing)確定了(le)(le)四種限(xian)制(zhi)，兩個技(ji)術(shu)限(xian)制(zhi)和兩個工(gong)業限(xian)制(zhi)。在技(ji)術(shu)方面(mian)，帶(dai)隙(xi)工(gong)程仍然(ran)是(shi)一(yi)個主要障礙(ai):沒有(you)(you)帶(dai)隙(xi)，石(shi)墨烯開關(guan)就無法關(guan)閉。在過去的(de)(de)(de)十年里(li)，研究人員專注于解決這個問題(ti)，但尚未破解這個問題(ti)。此(ci)外，石(shi)墨烯制(zhi)造(zao)必須產生高(gao)質量(liang)的(de)(de)(de)晶體(ti)(ti)，并與現有(you)(you)的(de)(de)(de)互補(bu)金屬氧化物半導(dao)體(ti)(ti)(CMOS)器件(jian)兼(jian)容(rong)。在工(gong)業方面(mian)，晶圓廠(chang)需要投(tou)入大量(liang)資金，但半導(dao)體(ti)(ti)公(gong)司的(de)(de)(de)大部分(fen)資源與目前的(de)(de)(de)晶圓廠(chang)改善(shan)計劃有(you)(you)關(guan)。此(ci)外，硅(gui)已經(jing)擁有(you)(you)了(le)(le)一(yi)個集(ji)成的(de)(de)(de)價值(zhi)鏈(lian)，但要為(wei)石(shi)墨烯重新創造(zao)一(yi)個價值(zhi)鏈(lian)需要數(shu)十億美元的(de)(de)(de)投(tou)資。

       考(kao)慮到這些不確定性，我們預計石(shi)墨烯的采用和市場增長將分(fen)為三個(ge)階(jie)(jie)段(duan):增強劑階(jie)(jie)段(duan)、替換硅(gui)階(jie)(jie)段(duan)和革命性電子(zi)階(jie)(jie)段(duan)(見表4)。

       在近期(qi)，我們期(qi)望石墨烯(xi)可(ke)以(yi)作(zuo)為硅(gui)的(de)(de)增強劑，因(yin)為石墨烯(xi)的(de)(de)保護層可(ke)以(yi)用(yong)來提高互(hu)連的(de)(de)可(ke)靠性(xing)和(he)性(xing)能。目前，銅互(hu)連上采用(yong)了14個納米氮化鉭(tan)金(jin)屬屏障，以(yi)防止擴散(san)到硅(gui)中。在小于10納米的(de)(de)間隙中，擴散(san)成為設備故障的(de)(de)主要原(yuan)因(yin)。石墨烯(xi)屏障比(bi)釕和(he)鈷等其(qi)它(ta)替代(dai)物具有幾個優勢，包(bao)括保護能力更(geng)好(hao)、只有它(ta)們的(de)(de)1/8大小、互(hu)連速度快30%左右。

       石(shi)墨烯(xi)目(mu)前無法大(da)規模應用的(de)(de)主要(yao)原因有兩個。石(shi)墨烯(xi)的(de)(de)轉移(yi)和涂層過程的(de)(de)要(yao)求需要(yao)在制造過程中得(de)到充分發展(zhan)和整合。此外，石(shi)墨烯(xi)的(de)(de)成本必須大(da)幅降(jiang)低，才能實現商業化大(da)規模生產。我們預計，至少需要(yao)5到10年的(de)(de)時間來解決(jue)這些問題(ti)后，石(shi)墨烯(xi)才能成為硅的(de)(de)一種可行(xing)替代(dai)品。

       在未(wei)來的(de)(de)10到25年里，石(shi)墨烯(xi)將取代硅作為半(ban)導體的(de)(de)主要材(cai)料(liao)，前提是(shi)研究(jiu)人員(yuan)能夠(gou)找到克服其帶隙限(xian)制的(de)(de)方法。即便如此(ci),石(shi)墨烯(xi)將在應(ying)用程序中利用其技術的(de)(de)優點(如高速、低損耗、規模小和靈(ling)活性)比其他材(cai)料(liao)更適合電子應(ying)用程序(見表5)。我們的(de)(de)分析計算(suan)了數據(ju)處理、無線通信和消費(fei)電子產品中石(shi)墨烯(xi)的(de)(de)總可尋址(zhi)市場價值將為1900億美元。

       總體(ti)而言(yan)，樂觀的(de)預測(ce)顯示，到(dao)2030年，石墨烯半導(dao)體(ti)的(de)市場價(jia)值(zhi)有望達(da)到(dao)700億(yi)美(mei)元左右。

       領先的(de)半導(dao)體企(qi)業應該如何發展？

       歷(li)史表明，有些(xie)技(ji)術需要很長(chang)時間才能商業化，但一旦進(jin)入市(shi)場，它(ta)們就能迅(xun)速改變行業。根據我們的(de)經驗，有過利用廣泛網絡發現下一個革命性技(ji)術的(de)公司，往往更有能力承受行業顛覆(fu)。

       石(shi)(shi)墨烯(xi)(xi)的(de)(de)前景受(shou)到(dao)所(suo)討論(lun)的(de)(de)嚴峻技術(shu)和商業(ye)挑戰所(suo)抵消，這(zhe)些挑戰可能阻礙石(shi)(shi)墨烯(xi)(xi)作為硅替代物的(de)(de)使(shi)(shi)用(yong)。因此(ci)，在評(ping)估石(shi)(shi)墨烯(xi)(xi)的(de)(de)真(zhen)正潛(qian)力(li)時(shi)，半(ban)導體行業(ye)的(de)(de)高管們應該使(shi)(shi)用(yong)結(jie)構化創(chuang)新(xin)方(fang)法來評(ping)估他們的(de)(de)選擇。創(chuang)新(xin)x射(she)線(xian)由三個類別(創(chuang)新(xin)戰略(lve)、技術(shu)中斷和創(chuang)新(xin)實踐(jian)(見表6))的(de)(de)10大(da)問題組成(cheng)。解決這(zhe)些問題可以(yi)幫助企(qi)業(ye)領導者在追求創(chuang)新(xin)的(de)(de)同(tong)時(shi)更好地了(le)解其組織的(de)(de)能力(li)，并支持在使(shi)(shi)用(yong)石(shi)(shi)墨烯(xi)(xi)或不使(shi)(shi)用(yong)石(shi)(shi)墨烯(xi)(xi)的(de)(de)情況下探索不同(tong)的(de)(de)方(fang)案。其結(jie)果是制定了(le)一項戰略(lve)，為企(qi)業(ye)進(jin)行顛覆性的(de)(de)、技術(shu)驅(qu)動的(de)(de)行業(ye)變(bian)革做好準備。

       在對(dui)(dui)硅(gui)進行了長(chang)期(qi)且富有(you)成效的(de)(de)(de)(de)開發后，高管(guan)們開始考慮用(yong)什么來取代硅(gui)，并提供類似的(de)(de)(de)(de)創(chuang)新(xin)曲線(xian)。石墨烯的(de)(de)(de)(de)特性激發了人們的(de)(de)(de)(de)想象(xiang)力，但到目(mu)前(qian)為(wei)止，它(ta)的(de)(de)(de)(de)物理(li)局限(xian)使(shi)它(ta)無法被(bei)命名為(wei)硅(gui)的(de)(de)(de)(de)繼承人。最(zui)近的(de)(de)(de)(de)技術(shu)創(chuang)新(xin)歷史表明，發展態勢(shi)可(ke)(ke)能會迅速發生改變——因此，高管(guan)們應該把石墨烯視為(wei)一個有(you)力的(de)(de)(de)(de)競(jing)爭者。無論最(zui)終結(jie)果如(ru)何，半導體企業都可(ke)(ke)以通過采用(yong)專(zhuan)注于結(jie)構化創(chuang)新(xin)的(de)(de)(de)(de)思(si)維(wei)模式(shi)來定位自己，以應對(dui)(dui)顛覆性技術(shu)，并使(shi)自己在競(jing)爭中脫穎而出(chu)。