矽的生產率提高放緩和成本上升讓商業領袖評估其他材料。
突破性發現之路 轉型行業的應用程序可能是一個漫長而迂迴的過程。 通常，第一次可能性的湧現之後是數十年的開發、改進和實驗。 即使那樣，也沒有任何保證。 世界各地的實驗室都充斥著曾經很有前途的技術，但這些技術從未在市場上獲得商業用途。 這一先例使高管在決定何時何地投資新興創新時處於困境。 對於每家對新興數字技術下注正確的公司，都有數十家競爭對手完全錯過了浪潮，必須迎頭趕上。 例如，時間會證明柯達最近進入比特幣採礦業是孤立的舉動還是有先見之明的長期戰略的一部分。
半導體公司發現自己處於一個棘手的境地。 幾十年來，矽的定期創新使該行業能夠產生持續的利潤和持續的、令人印象深刻的性能改進。 最近，公司正面臨著從矽中榨取更多價值的困難。 這種放緩使公司不得不確定什麼將取代矽以及何時取代。 例如，石墨烯被認為是一種神奇的材料，其性能有可能等於或超過矽。 然而，這種材料的商業化可能需要長達 25 年的時間，並且需要在研發和資本成本方面進行大量投資才能將其投入生產。 由於目前分配給矽的支出如此之多，高管們必須確定合適的時機，轉向下一種材料——即使結果遠未得到保證。
挑戰遠遠超出了石墨烯。 隨著半導體公司尋求識別和利用下一波創新，高管們必須採用不同的方法。 理解看似不同的發展如何創造新的商業模式和應用程序的能力需要一個更廣闊的視角，專注於連接各個點並探索應用知識和見解的新方法。 半導體高管應利用這一視角製定長期戰略，從現有材料和技術中提取價值，同時監控新興創新。 這種思維定勢將使公司更好地應對未來幾年已知和未知的挑戰。
Silicon：逆風而行？
矽是半導體行業使用的主要材料，在歷史上一直與摩爾定律保持同步，提供了以前無法想像的進步。 顛覆性和變革性技術——高級分析、增強現實、自動駕駛汽車、數字化和物聯網 (IoT)——已通過與世界上最富有的 50 平方英里同名的單一元素成為可能。 儘管如此，關於矽的未來及其繼續支持創新的能力，人們仍然提出了嚴重的問題：三個領先指標說明了這一點。
性能改進放緩導致定價壓力
矽為設計師和工程師提供了一張畫布，可以促進容量和性能的持續進步。 看看 1970 年代的數據就可以看出這些指數級的性能改進。 然而，近年來，這一步伐明顯放緩。 PC 處理能力已經趨於平穩，智能手機處理器性能的增長開始放緩——簡而言之，矽正在變得致命（圖表 1）。 這些趨勢意味著那些在持續創新上建立競爭優勢的公司已經看到他們的領先優勢隨著其他公司的追趕而開始被削弱。
性能提升正在放緩
引領潮流的人正在努力擴大對競爭對手的績效改進領先優勢，因此他們在其他市場趕上之前獲得溢價的能力受到了阻礙。 我們的分析表明，一旦多個競爭對手進入市場，價格就會下降 10% 到 15%。
不斷增加的資本和研發成本
隨著半導體公司轉向下一代晶圓廠，它們的成本繼續上升。 為了實現性能提升，我們估計公司必須增加多達 40% 的資本支出（考慮到對新設備的要求）和 150% 的研發支出才能實現相同的吞吐量（圖表 2）。 資本成本上升的主要原因是製造設備，自行業向多模式過渡以來，製造設備已增加約 2 億美元。 毫不奇怪，集成設備製造商迅速加大了對領先節點技術的研發投入。
不斷升級的資本需求和研發投資可能會抑制進一步的創新
感受矽的物理限制
除了商業挑戰之外，矽的持續增長也不確定，因為創新已經趕上了材料的物理限制。 例如，節點長度接近性能受到嚴重抑制的導電溝道寬度：由於小尺寸的量子效應（例如隧道效應、洩漏和熱問題），矽晶體管將停止工作。 光刻、儀器和製造納米結構的限制也將阻礙進步。
這三個趨勢向半導體公司提出了一個關鍵問題：他們應該繼續在矽上投資多少，而不是支持能夠產生性能階梯式變化並維持收入增長的創新材料的開發？
為什麼石墨烯可以改變遊戲規則
該行業正在試驗幾種奇異的新材料，包括矽烯、鍺烯和黑磷，但石墨烯被吹捧為具有最大的潛力（圖表 3）。
新材料最有可能刺激下一代技術，有助於維持創新
2004 年，英國曼徹斯特大學的兩名研究人員發現了原子厚的石墨烯層，這引發了人們對它可能成為矽的優越替代品的期望（信息圖）。 石墨烯的特性讓各行各業的公司垂涎三尺：據估計，它的移動性是矽的 250 倍，其柔韌性和其他特性使其成為從電池技術到觸摸屏等光電子器件等一系列應用的理想選擇。 最近的專利、學術論文和研究出版物證明了人們對石墨烯的廣泛興趣。
石墨烯的數字
儘管有這樣的承諾，但石墨烯的採用一直難以捉摸。 那麼是什麼阻礙了它呢？ 我們已經確定了四個限制，兩個技術限制和兩個工業限制。 在技術方面，帶隙工程仍然是一個主要障礙：沒有帶隙，石墨烯開關就無法關閉。 在過去的十年裡，研究人員一直專注於解決這個問題，但尚未破解密碼。 此外，石墨烯製造必須產生高質量的晶體並與現有的互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 器件兼容。 在工業方面，晶圓廠需要大量資金，但半導體公司的大部分資源都與當前的晶圓廠改進計劃相關聯。 此外，矽存在一條集成的價值鏈（包括製造中游重組），但需要數十億美元的投資才能為石墨烯重新創造價值鏈。
鑑於這些不確定性，我們預測石墨烯的採用和市場增長將分為三個階段——增強劑、矽替代品和革命性電子產品（圖表 4）。
我們預計石墨烯的採用和市場增長將分三個階段進行
在短期內，我們預計石墨烯將用作矽的增強劑，石墨烯保護層用於提高互連的可靠性和性能。 目前，14 納米氮化鉭金屬阻擋層用於銅互連，以防止擴散到矽中。 在小於 30 納米的間隙處，擴散成為器件故障的主要原因——每十億分之一的缺陷導致大約 30% 的故障率。 與釕和鈷等其他替代品相比，石墨烯屏障提供了多項優勢，包括在尺寸僅為八分之一的情況下提供更好的保護能力，並且互連速度快約 XNUMX%。
石墨烯未被採用的主要原因有兩個。 石墨烯轉移和塗層工藝的要求需要在製造步驟中得到充分發展和整合。 此外，石墨烯的成本必須顯著降低才能實現商業化大規模生產。 我們預測，解決這些問題至少需要五到十年的時間，石墨烯才能成為可行的矽替代品。
在接下來的 10 到 25 年裡，石墨烯可以取代矽成為半導體的主要材料，前提是研究發現了克服其帶隙限制的方法。 即便如此，石墨烯將用於其技術優點（如高速、低損耗要求、小規模和靈活性）比替代材料更適合電子應用的應用（圖表 5）。 我們的分析計算出數據處理、無線通信和消費電子產品的石墨烯潛在市場總額為 190 億美元。
根據對高性能應用的需求，基於石墨烯的電子產品的總可用市場約為 $190B
預計採用率將遵循類似於其他技術的 S 曲線趨勢，實施時間框架最接近於晶圓採用率。 總體而言，樂觀的情景顯示，到 70 年，石墨烯半導體的市場價值潛力將達到 2030 億美元左右。
領先的半導體玩家應該如何前進？
歷史表明，有些技術需要很長時間才能商業化，但一旦投放市場，就能迅速改變行業。 根據我們的經驗，擁有廣泛撒網以發現下一個變革性技術的記錄的公司往往更願意承受行業中斷。
所討論的嚴峻技術和商業挑戰抵消了石墨烯的前景，這可能會阻礙其作為矽替代品的使用。 因此，在評估石墨烯的真正潛力時，半導體高管應該使用結構化創新方法來評估他們的選擇。 創新 X 射線包括三個類別的十個問題——創新戰略、技術顛覆和創新實踐（圖表 6）。 解決這些問題可以幫助企業領導者在追求創新時更好地了解其組織的能力，並支持探索採用或不採用石墨烯的不同場景。 其結果是製定了一項戰略，讓組織為技術驅動的巨大行業變革做好準備。
創新 X 射線包含十個問題，可幫助您加速結構化方法
在使用矽進行了長時間而富有成效的運行之後，高管們開始考慮用什麼來替代它並提供類似的 S 曲線創新。 石墨烯的特性激發了人們的想像力，但迄今為止，它的物理限制使其無法被命名為矽的明顯繼承人。 最近的技術創新歷史表明，這種情況可能會迅速改變——因此，高管們應該將石墨烯視為一個重要的競爭者。 無論最終結果如何，半導體企業都可以通過採用專注於結構化創新的思維方式來應對技術顛覆並取得領先。 一個充滿未知數的世界需要它。
