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硅材料生产效率提升放缓和成本上升，促使企业领导者开始考虑其他材料。
从突破性发现到最终发现的路径 从技术到变革性产业应用，往往是一个漫长而曲折的过程。最初的激情迸发之后，往往需要数十年的研发、完善和实验。即便如此，也无法保证成功。世界各地的实验室里充斥着曾经前景光明却最终未能实现商业化应用的技术。这种先例使得企业高管在决定何时何地投资新兴创新时处境艰难。每有一家公司押注新兴数字技术是正确的，就有数十家竞争对手完全错失良机，不得不奋起直追。例如，柯达近期进军比特币挖矿究竟是孤注一掷，还是其富有远见的长期战略的一部分，时间会给出答案。
半导体公司如今处境艰难。过去几十年，硅技术的持续创新使半导体行业得以不断盈利，并取得持续显著的性能提升。然而，近年来，企业发现从硅中榨取更多价值变得越来越困难。这种增长放缓迫使企业思考硅的替代材料以及何时替代。例如，石墨烯被誉为一种神奇材料，其性能有望与硅媲美甚至超越硅。然而，石墨烯的商业化可能还需要长达25年的时间，并且需要大量的研发和资本投入才能实现量产。鉴于目前硅技术投入巨大，企业高管必须把握时机，将研发重心转向下一代材料——即便最终结果远未可知。
挑战远不止于石墨烯；随着半导体公司寻求识别并利用下一波创新浪潮，高管们必须采取不同的方法。要理解看似毫不相干的发展如何创造新的商业模式和应用，需要更广阔的视角，着眼于将各个环节联系起来，探索应用知识和洞见的新途径。半导体高管应运用这种视角制定长期战略，在密切关注新兴创新的同时，从现有材料和技术中挖掘价值。这种思维方式将使公司更好地应对未来几年已知和未知的挑战。
硅是半导体行业的主要材料，历史上它一直遵循摩尔定律，推动着前所未有的进步。颠覆性和变革性技术——例如高级分析、增强现实、自动驾驶汽车、数字化和物联网 (IoT)——都离不开这种独特的元素，而它正是世界上最富有的50平方英里土地的名称由来。然而，人们对硅的未来及其能否继续支持创新提出了严峻的质疑：三个关键指标揭示了问题的症结所在。
硅芯片为设计师和工程师提供了一个广阔的平台，使得芯片的容量和性能得以持续提升。回顾20世纪70年代的数据，便可清晰地看到这种指数级的性能增长。然而，近年来，这种增长速度已显著放缓。个人电脑的处理能力趋于稳定，智能手机处理器的性能提升也开始放缓——简而言之，硅芯片正走向衰落（见图表1）。这些趋势意味着，那些依靠持续创新建立竞争优势的公司，其领先优势正逐渐被其他公司追赶。
性能提升速度正在放缓
引领潮流者难以扩大其在性能提升方面对竞争对手的领先优势，因此，在其他市场参与者赶上之前抢占高价位的能力受到阻碍。我们的分析表明，一旦多个竞争对手进入市场，价格就会下降10%到15%。
随着半导体公司向下一代晶圆厂转型，其成本持续攀升。为了提升性能，我们估计公司必须将资本支出增加高达 40%（考虑到新设备的需求），研发支出增加 150% 才能达到相同的产能（见图表 2）。资本成本飙升的主要原因是制造设备，自行业向多重曝光工艺转型以来，制造设备的成本已增加了约 2 亿美元。不出所料，集成器件制造商已迅速加大对领先节点技术的研发投入。
不断增长的资本需求和研发投入可能会抑制进一步的创新。
除了商业挑战之外，硅的持续增长也存在不确定性，因为创新已经赶上了这种材料的物理极限。例如，节点长度正接近导电沟道宽度，而性能会受到严重限制：硅晶体管会因为小尺寸量子效应（例如隧穿效应、漏电和散热问题）而停止工作。光刻技术、仪器设备和纳米结构制造方面的局限性也会阻碍硅技术的进步。
这三大趋势给半导体公司提出了一个关键问题：他们应该继续在硅上投入多少资金，还是应该支持开发能够带来性能飞跃和持续收入增长的创新材料？
该行业正在尝试几种新奇的材料，包括硅烯、锗烯和黑磷，但石墨烯被誉为最具潜力（图表 3）。
新材料具有推动下一代技术发展的最大潜力，而下一代技术有助于维持创新。
2004年，英国曼彻斯特大学的两位研究人员发现了原子级厚度的石墨烯层，这激发了人们对它成为硅的优良替代品的期待（信息图）。石墨烯的特性令各行各业的公司垂涎不已：据估计，它的迁移率是硅的250倍，其柔韧性和其他特性使其成为从电池技术到触摸屏等光电子器件等一系列应用的理想选择。近期的专利、学术论文和研究出版物都证明了人们对石墨烯的广泛兴趣。
石墨烯的数据
尽管石墨烯前景广阔，但其应用推广却一直举步维艰。究竟是什么阻碍了它的发展？我们总结了四个限制因素，其中两个是技术方面的，两个是产业方面的。技术方面，带隙工程仍然是一大难题：没有带隙，石墨烯开关就无法关闭。过去十年，研究人员一直致力于解决这个问题，但至今仍未攻克。此外，石墨烯的制造必须能够生成高质量的晶体，并且与现有的互补金属氧化物半导体（CMOS）器件兼容。产业方面，晶圆厂需要大量资金投入，但半导体公司的大部分资源都用于现有的晶圆厂升级改造计划。此外，硅材料已经拥有完整的价值链（包括中游制造设备的改造），但要为石墨烯重建类似的价值链，则需要数十亿美元的投资。
鉴于这些不确定性，我们预测石墨烯的采用和市场增长将分三个阶段进行——增强剂、硅替代和革命性电子产品（图表 4）。
我们预计石墨烯的应用和市场增长将分三个阶段进行。
在短期内，我们预计石墨烯将作为硅的增强材料，利用石墨烯保护层来提高互连线的可靠性和性能。目前，铜互连线上使用14纳米厚的氮化钽金属阻挡层来防止扩散到硅中。当间隙小于10纳米时，扩散会成为器件失效的主要原因——十亿分之一的缺陷会导致约30%的失效率。与其他替代材料（例如钌和钴）相比，石墨烯阻挡层具有诸多优势，包括尺寸仅为八分之一却拥有更好的保护能力，并且互连速度还能提高约30%。
石墨烯应用受限的主要原因有两个。首先，石墨烯的转移和涂覆工艺需要进一步完善，并整合到制造流程中。其次，石墨烯的成本必须大幅降低才能实现商业化大规模生产。我们预测，至少需要五到十年的时间才能解决这些问题，使石墨烯成为可行的硅替代品。
未来10到25年内，假设研究能够找到克服石墨烯带隙限制的方法，石墨烯有望取代硅成为半导体的主要材料。即便如此，石墨烯仍将应用于那些其技术优势（例如高速、低损耗、小尺寸和柔性）比其他材料更适合电子应用的领域（见图表5）。我们的分析估算，石墨烯在数据处理、无线通信和消费电子领域的潜在市场规模将达到190亿美元。
根据对高性能应用的需求估算，石墨烯基电子产品的总潜在市场规模约为190亿美元。
预计石墨烯半导体的普及应用将遵循与其他技术类似的S型曲线趋势，其应用普及的时间框架与晶圆技术的普及应用最为接近。总体而言，乐观预测显示，到2030年，石墨烯半导体的市场价值潜力将达到约70亿美元。
历史表明，有些技术需要很长时间才能商业化，但一旦进入市场，就能迅速改变整个行业。根据我们的经验，那些拥有广泛撒网寻找下一代变革性技术经验的公司，往往更能抵御行业动荡。
石墨烯的潜力固然可喜，但其面临的严峻技术和商业挑战也不容忽视，这些挑战可能会阻碍其作为硅替代品的应用。因此，半导体行业的管理者在评估石墨烯的真正潜力时，应采用结构化的创新方法来评估各种方案。“创新X光”包含三个类别的十个问题：创新战略、技术颠覆和创新实践（见图表6）。解答这些问题有助于企业领导者更好地了解自身组织在追求创新方面的能力，并支持他们探索采用或不采用石墨烯的不同情景。最终，企业将制定出一套能够帮助其应对由技术驱动的行业巨变的战略。
创新X光片包含十个问题，旨在加速您的结构化方法。
在硅材料经历了漫长而卓有成效的发展之后，企业高管们开始思考什么材料能够取代它，并带来类似的创新增长曲线。石墨烯的特性激发了人们的无限遐想，但迄今为止，其物理局限性使其尚未被视为硅材料的有力竞争者。然而，近期的技术创新发展表明，行业格局可能瞬息万变——因此，企业高管们应该认真考虑石墨烯作为强有力的竞争者。无论最终结果如何，半导体企业都可以通过秉持结构化创新的思维模式，做好准备应对技术变革，并最终脱颖而出。一个充满未知数的世界需要这样的思维模式。
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