硅的生产率提高放缓和成本上升让商业领袖评估其他材料。
突破性发现之路 转型行业的应用程序可能是一个漫长而迂回的过程。 通常，第一次可能性的涌现之后是数十年的开发、改进和实验。 即使那样，也没有任何保证。 世界各地的实验室都充斥着曾经很有前途的技术，但这些技术从未在市场上获得商业用途。 这一先例使高管在决定何时何地投资新兴创新时处于困境。 对于每家对新兴数字技术下注正确的公司，都有数十家竞争对手完全错过了浪潮，必须迎头赶上。 例如，时间会证明柯达最近进入比特币采矿业是孤立的举动还是有先见之明的长期战略的一部分。
半导体公司发现自己处于一个棘手的境地。 几十年来，硅的定期创新使该行业能够产生持续的利润和持续的、令人印象深刻的性能改进。 最近，公司正面临着从硅中榨取更多价值的困难。 这种放缓使公司不得不确定什么将取代硅以及何时取代。 例如，石墨烯被认为是一种神奇的材料，其性能有可能等于或超过硅。 然而，这种材料的商业化可能需要长达 25 年的时间，并且需要在研发和资本成本方面进行大量投资才能将其投入生产。 由于目前分配给硅的支出如此之多，高管们必须确定合适的时机，转向下一种材料——即使结果远未得到保证。
挑战远远超出了石墨烯。 随着半导体公司寻求识别和利用下一波创新，高管们必须采用不同的方法。 理解看似不同的发展如何创造新的商业模式和应用程序的能力需要一个更广阔的视角，专注于连接各个点并探索应用知识和见解的新方法。 半导体高管应利用这一视角制定长期战略，从现有材料和技术中提取价值，同时监控新兴创新。 这种思维定势将使公司更好地应对未来几年已知和未知的挑战。
Silicon：逆风而行？
硅是半导体行业使用的主要材料，在历史上一直与摩尔定律保持同步，提供了以前无法想象的进步。 颠覆性和变革性技术——高级分析、增强现实、自动驾驶汽车、数字化和物联网 (IoT)——已通过与世界上最富有的 50 平方英里同名的单一元素成为可能。 尽管如此，关于硅的未来及其继续支持创新的能力，人们仍然提出了严重的问题：三个领先指标说明了这一点。
性能改进放缓导致定价压力
硅为设计师和工程师提供了一张画布，可以促进容量和性能的持续进步。 看看 1970 年代的数据就可以看出这些指数级的性能改进。 然而，近年来，这一步伐明显放缓。 PC 处理能力已经趋于平稳，智能手机处理器性能的增长开始放缓——简而言之，硅正在变得致命（图表 1）。 这些趋势意味着那些在持续创新上建立竞争优势的公司已经看到他们的领先优势随着其他公司的追赶而开始被削弱。
性能提升正在放缓
引领潮流的人正在努力扩大对竞争对手的绩效改进领先优势，因此他们在其他市场赶上之前获得溢价的能力受到了阻碍。 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%。
不断增加的资本和研发成本
随着半导体公司转向下一代晶圆厂，它们的成本继续上升。 为了实现性能提升，我们估计公司必须增加多达 40% 的资本支出（考虑到对新设备的要求）和 150% 的研发支出才能实现相同的吞吐量（图表 2）。 资本成本上升的主要原因是制造设备，自行业向多模式过渡以来，制造设备已增加约 2 亿美元。 毫不奇怪，集成设备制造商迅速加大了对领先节点技术的研发投入。
不断升级的资本需求和研发投资可能会抑制进一步的创新
感受硅的物理限制
除了商业挑战之外，硅的持续增长也不确定，因为创新已经赶上了材料的物理限制。 例如，节点长度接近性能受到严重抑制的导电沟道宽度：由于小尺寸的量子效应（例如隧道效应、泄漏和热问题），硅晶体管将停止工作。 光刻、仪器和制造纳米结构的限制也将阻碍进步。
这三个趋势为半导体公司提出了一个关键问题：他们应该继续在硅上投资多少，而不是支持可以产生性能阶跃变化并维持收入增长的创新材料的开发？
为什么石墨烯可以改变游戏规则
该行业正在试验几种奇异的新材料，包括硅烯、锗烯和黑磷，但石墨烯被吹捧为具有最大的潜力（图表 3）。
新材料最有可能刺激下一代技术，有助于维持创新
2004 年，英国曼彻斯特大学的两名研究人员发现了原子厚的石墨烯层，这引发了人们对它可能成为硅的优越替代品的期望（信息图）。 石墨烯的特性让各行各业的公司垂涎三尺：据估计，它的移动性是硅的 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。 最近的专利、学术论文和研究出版物证明了人们对石墨烯的广泛兴趣。
石墨烯的数字
尽管有这样的承诺，但石墨烯的采用一直难以捉摸。 那么是什么阻碍了它呢？ 我们已经确定了四个限制，两个技术限制和两个工业限制。 在技术方面，带隙工程仍然是一个主要障碍：没有带隙，石墨烯开关就无法关闭。 在过去的十年里，研究人员一直专注于解决这个问题，但尚未破解密码。 此外，石墨烯制造必须产生高质量的晶体并与现有的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 器件兼容。 在工业方面，晶圆厂需要大量资金，但半导体公司的大部分资源都与当前的晶圆厂改进计划相关联。 此外，硅存在一条综合价值链（包括制造中游重组），但需要数十亿美元的投资才能为石墨烯重新创造价值链。
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为三个阶段——增强剂、硅替代品和革命性电子产品（图表 4）。
我们预计石墨烯的采用和市场增长将分三个阶段进行
在短期内，我们预计石墨烯将用作硅的增强剂，石墨烯保护层用于提高互连的可靠性和性能。 目前，14 纳米氮化钽金属阻挡层用于铜互连，以防止扩散到硅中。 在小于 30 纳米的间隙处，扩散成为器件故障的主要原因——每十亿分之一的缺陷导致大约 30% 的故障率。 与钌和钴等其他替代品相比，石墨烯屏障提供了多项优势，包括在尺寸仅为八分之一的情况下提供更好的保护能力，并且互连速度提高了约 XNUMX%。
石墨烯未被采用的主要原因有两个。 石墨烯转移和涂层工艺的要求需要在制造步骤中得到充分发展和整合。 此外，石墨烯的成本必须显着降低才能实现商业化大规模生产。 我们预测，解决这些问题至少需要五到十年的时间，石墨烯才能成为可行的硅替代品。
在接下来的 10 到 25 年里，石墨烯可以取代硅成为半导体的主要材料，前提是研究发现了克服其带隙限制的方法。 即便如此，石墨烯将用于其技术优点（如高速、低损耗要求、小规模和灵活性）比替代材料更适合电子应用的应用（图表 5）。 我们的分析计算出数据处理、无线通信和消费电子产品的石墨烯潜在市场总额为 190 亿美元。
根据对高性能应用的需求，基于石墨烯的电子产品的总可用市场约为 $190B
预计采用率将遵循类似于其他技术的 S 曲线趋势，实施时间框架最接近于晶圆采用率。 总体而言，乐观的情景显示，到 70 年，石墨烯半导体的市场价值潜力将达到 2030 亿美元左右。
领先的半导体玩家应该如何前进？
历史表明，有些技术需要很长时间才能商业化，但一旦投放市场，就能迅速改变行业。 根据我们的经验，拥有广泛撒网以发现下一个变革性技术的记录的公司往往更愿意承受行业中断。
所讨论的严峻技术和商业挑战抵消了石墨烯的前景，这可能会阻碍其作为硅替代品的使用。 因此，在评估石墨烯的真正潜力时，半导体高管应该使用结构化创新方法来评估他们的选择。 创新 X 射线包括三个类别的十个问题——创新战略、技术颠覆和创新实践（图表 6）。 解决这些问题可以帮助企业领导者在追求创新时更好地了解其组织的能力，并支持探索采用或不采用石墨烯的不同场景。 其结果是制定了一项战略，可以让组织为技术驱动的戏剧性行业变革做好准备。
创新 X 射线包含十个问题，可帮助您加速结构化方法
在使用硅进行了长时间而富有成效的运行之后，高管们开始考虑用什么来替代它并提供类似的 S 曲线创新。 石墨烯的特性激发了人们的想象力，但迄今为止，它的物理限制使其无法被命名为硅的明显继承人。 最近的技术创新历史表明，这种情况可能会迅速改变——因此，高管们应该将石墨烯视为一个重要的竞争者。 无论最终结果如何，半导体企业都可以通过采用专注于结构化创新的思维方式来应对技术颠覆并取得领先。 一个充满未知数的世界需要它。
Sumber: 石墨烯：半导体的下一个 S 曲线？ | 麦肯锡
