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《大国之材》:矩阵科技将芯片的研发速度从“钓鱼式”变成“撒网式”

发布时间:2020-02-20

《大国之材》:矩阵科技将芯片的研发速度从“钓鱼式”变成“撒网式”

近期,《大国之材》走进深圳市矩阵多元科技有限公司,专访矩阵科技创始人、董事长张晓军博士,听他揭晓高通量材料制备的奥秘与未来。

1877年,在一个堆满耐热材料的实验室里,狂热的发明家爱迪生正在进行一项实验。他想找到一种能燃烧到白热的物质做灯丝,并且要经住热度在2000摄氏度持续1000小时以上的燃烧。同时追求用法简单,能经受日常使用的击碰,价格低廉,并且不影响其他灯同时工作。

这是一个大胆的设想,却也耗费了这位天才无数的心血。他每天工作19个小时,做过上质矿石和矿苗共1600种不同的试验,试验笔记簿多达200多本,共计4万余页。直到1908年,才找到了理想材料——钨丝。

30余年的光阴一去不复回。除了研发周期十分长,逐个尝试的实验方法每天耗费的成本也令人惊叹。对于现代工业来说,这是耗不起的玩法

若研发能从一样一样串联式的变成多种研发并联式的进行,时间和资金等各种成本或许能得到大幅下降。深圳市矩阵多元科技有限公司(以下简称“矩阵科技”)董事长张晓军就开始尝试这样一种捷径路线,这种技术被称为“高通量材料制备”。

样品图 高通量制备具有不同成分的100种材料

他将这样一种捷径技术用在了最需要的地方,正是中国经济转型最核心的阵地——集成电路行业。

在科技产业发达的深圳,张晓军带着团队进驻了一家产业园,创立了矩阵科技,面对奋力尝试突破“卡脖子”瓶颈的众多同袍,张晓军将理想和中国芯片产业的命运紧紧地捆绑在一起。

芯片研发成本降100

过去十余年,中国在下游制造业和自主品牌上发展迅速。但在最为核心的集成电路工业上,却始终难以取得实质性突破。

相关数据显示,2018年我国集成电路行业实现销售收入2519.3亿,但其中自给率仅为15.35%,近85%的芯片依赖进口,价值超过2000亿元。

2019年,华为被美国列入了实体名单,芯片被卡住脖子,接二连三的事件也让中国审思了发展芯片产业的重要性。

国家新材料产业发展专家咨询委员会主任干勇院士曾指出,芯片之争其实是材料之争,中国对“卡脖子”材料的突破迫在眉睫。

带着同样的想法,张晓军开始深耕芯片材料这一领域。在张晓军看来,中国未来5-10年内,芯片的市场潜力巨大。。

脉冲激光沉积系统(L系列)

芯片的制造是通过一步一步的材料制备工艺完成的,随着芯片的不断迭代升级,新材料不断出现,新材料的成分含量敏感并决定着芯片的质量,成分含量无法准确地预测,比如栅级氧化层材料或者复合材料,其氮氧化硅成分可以占0.01%0.02%0.03%不等,这要求做大量实验才能得出准确数据。

张晓军对《大国之材》表示,假设一款传感器数据芯片的开发包括1000个步骤,每一步需要耗费制造、人工、设备成本约30美元,完成1000步完成需要花费3万美元。这是一笔不小的成本,而且研发周期很长,需要3-6个月。

做材料研究好比捕鱼,传统的方式是钓鱼,一次只能钓起一条,而高通量材料制备技术是撒网,一次可以拉上来一大网的鱼。”张晓军向《大国之材》作了个形象的比喻。

张晓军看到芯片材料开发流程长,诞生了将高通量技术应用在芯片材料领域的想法。

张晓军提出的高通量材料制备技术路线是通过多元脉冲沉积系统实现一次性批量制备100种不同的材料,并且可进行自动化的扫描数据,快速筛选出最佳的材料或芯片。

脉冲激光沉积系统(M系列)

“采取高通量材料制备技术,从理论上讲,芯片研发成本可以降低100倍。张晓军对《大国之材》说。

巩固国内市场地位

事实上,掌握了高通量芯片材料制备技术的还有国外的公司。不过,其他公司所能制备的只有局部几种的材料。一般而言,芯片涉及多种材料组合,有些芯片涉及的材料达300多种,而仅对几种材料进行高通量的制备,对提升芯片开发速度而言无异于杯水车薪。

更为关键的是,制备100种材料的良品率需要满足与单个材料制备的质量相当水平,这样高通量的制备方式才有意义。

样品图 高通量制备不同材料成分的100个小样品

高通量芯片制备涉及到不同原材料和不同配方的制备,在制备的过程中,传统的方式是每个材料制备完成后,再进行混合,张晓军对《大国之材》表示,矩阵科技的制备方式是在制备的过程中就实现原材料之间原子级别的混合,材料的质量也随之大幅提高。

拥有高通量制备的独特优势,张晓军将业务重心的第一步放在高通量芯片材料制备设备方面。他对芯片产业的需求很清楚,这种捷径没有人不心动。

201911月,张晓军带着他的产品参加了中国创新创业大赛新材料行业总决赛,决赛上组织了500强公司的对接活动。出乎意料的是,原本没打算参与对接的张晓军却被三星集团的人拦住,并表达了合作的意愿。

和其他的国产设备厂商一样,张晓军也曾为国内对国产设备质量存疑的心态担忧过,对于新创立的公司而言,产品能否得到市场的认可关乎着接下来的公司处境,令张晓军略感意外的是,销售从01的突破很快就实现。

20195月份,矩阵科技与美国、日本、荷兰等全球最主流的几家材料制备设备供应商竞争一个六国院士项目。经过5位专家的评审,矩阵科技一举中标,代表国产设备第一次打入了高通量制备高端设备市场。

随着5G产业大幕拉开,芯片市场向中国转移,这对矩阵科技来说如鱼得水,其优势在于设备完全自主设计,在中国本土加工,成本大幅降低。张晓军表示,在国外加工一个真空设备的零部件,耗费了2000多美元,而现在在国内设计加工,只花了1000多人民币,在成本方面,国外公司是没办法跟我们竞争的。

如今,矩阵科技已经接到了不少高校、研究所等的订单,并且有企业已经开始与矩阵科技探讨合作。“预计明年的订单在3000万到5000万左右,生产相关的都要扩大。张晓军对《大国之材》说。

材料基因工程的参与者

早在2017年,矩阵科技就拿到了松禾资本1500万天使投资。

20172018年,是张晓军和他的团队们积蓄力量搞研发的阶段,2019年进入产品销售阶段。

销售研发设备和耗材,提供材料配方、工艺以及设备的整套材料解决方案,这只是矩阵科技布局的第一步,在张晓军的计划里,第二步是扩大供应,随着积累的数据量越来越多,第三步则将提供材料大数据服务

脉冲激光沉积系统(B系列)

有人认为,新材料研究发展缓慢,不仅是中国面临的问题,而是全世界的“通病”,大家都是通过堆砌实验次数的“笨”办法来创造新材料。爱迪生尝试寻找灯丝材料时,中国仍处在封建时代。在材料领域,中国起步晚,但并非没有办法破解,打破研究方法的桎梏很重要。利用大数据,实则是找到更高效的材料设计的方法。

高通量芯片材料制备,其实牵出另一个概念——材料基因工程,我国目前已形成了全球门类最全、品种与产量规模第一的材料产业体系,2018年新材料产值3.9万亿元。尽管规模庞大,但面临新材料创新能力不足、创新质量不高、迭代经验欠缺等问题,而材料基因工程的实施,可有效地解决新材料发展的瓶颈问题。

材料基因工程包括高通量计算方法、高通量实验方法、材料大数据等关键技术,通过协同创新,实现新材料研发周期缩短一半、研发成本降低一半的目的。而矩阵科技目前正在做的就是高通量实验这一环节。“这是材料基因工程里面最难,也是最核心的地方,因为只有把高通量的实验做好了,才能提供准确、可靠的数据源。”

事实上,美欧国家早在20年前就开始着手材料芯片、材料数据库、大数据技术的研究布局。如美国加州理工大学已经与Google公司展开合作,通过高通量实验方式分析材料数据。

高通量技术将是大势所趋,但是目前还是处于在一个爆发点的阶段。”张晓军对《大国之材》说。之所以选择将高通量技术应用于芯片领域,张晓军清楚,国产芯片要崛起,缺少雄厚的材料数据积累,如果硬拼,胜算很小。而高通量技术的起跑线差距不大,在这个领域将有赶超的机会出现。

未来5-10年,中国芯片产业将迎来爆发性增长,这对矩阵科技而言无疑是个巨大的机会,张晓军和他的团队正枕戈待旦。


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