许多行业的供应链都面临重重阻碍，但对于半导体技术而言，情况尤为复杂。芯片的诸多关键组件受地理位置限制，极易受地缘政治因素影响。与此同时，芯片制造还与社会及环境问题深度交织，一旦某个看似微小的环节断裂，整个产业链便可能随之崩塌。
密歇根大学的研究人员正与纳米电子学研究机构Imec合作，共同探索突破材料瓶颈的方法。他们将这一研究项目命名为"共同地球"（Common Earth），以此对照半导体行业对稀土的高度依赖。该团队致力于寻找替代关键元素及永久性化学物质（即PFAS，又称"永久化学品"）的创新方案，推动半导体供应链的变革。
IEEE Spectrum就此与密歇根大学两位项目负责人进行了深度对话：计算机工程系教授兼副教务长瓦莱里娅·贝尔塔科（Valeria Bertacco），以及材料科学与工程系副教授约翰·赫伦（John Heron）。
"共同地球"半导体材料的核心理念是什么？
瓦莱里娅·贝尔塔科：该项目的目标是消除硅芯片制造过程中的供应链瓶颈。全球供应链中存在多种瓶颈来源：在材料层面，我们高度依赖稀土材料；同时，每次生产半导体都会涉及PFAS——这类化学副产品永远无法从环境中彻底消除。
约翰·赫伦：在构思这一项目时，我们聚焦于几种受管控程度较高、供应链相对脆弱的材料，其中包括铪（用于晶体管栅极介电层）以及一些虽未直接集成于CMOS技术中、但对CMOS制造工艺不可或缺的稀土材料。
更准确的表述应为"关键元素"。铪是我们重点关注的元素之一，它严格意义上并非稀土元素，其地缘政治管控程度也不及稀土，但同样存在其他瓶颈。铪实际上是锆矿开采的副产品，而锆矿开采主要服务于核工业，这意味着铪的供应受核工业规模的直接制约。若要扩大半导体制造规模，就必须同步扩大另一个行业的产能。
此外，与这些材料直接或间接相关的是废弃物问题。这些废弃物往往含有氟化物，属于PFAS类化学品，最终会进入废水。我们认为该项目同样肩负道德责任：既要消除这些永久化学品，关注副产品对健康与安全的影响，也要审视材料的来源及获取方式，以更宏观、更系统的视角看待芯片制造。
芯片技术依赖稀土和特定材料自有其原因，你们如何寻求突破？
贝尔塔科：一旦改变半导体生产中使用的材料，晶体管或存储器件的特性也会随之改变。人们选用特定介电材料是有原因的——它能提供所需的低延迟和高性能。我们的替代方案或许能实现较好的近似效果，甚至具备其他潜在优势，但终究会有所不同。我们的应对思路是开发更优质的电路技术、更先进的架构和更完善的系统。例如，若因采用不同介电材料导致晶体管漏电增加，就需要更好的电源门控方案、更精细的频率调节机制，以及更有效的电路级抑漏方案来加以弥补。
赫伦：稀土材料通常作为等离子体沉积工艺中的涂层使用，起到保护设备的屏障作用。稀土并非地球上真正稀缺的资源，问题在于，中国所拥有的矿石更适合高效加工。因此，我们的思路是转向其他更易获取、更易提炼的材料，探索那些能够承受等离子体腐蚀的独特化学组合。
Imec的合作如何推动了项目进展？
赫伦：Imec在芯片制造领域具备丰富实践经验，不仅能提供新技术测试平台，还能提供完整的工艺测试环境。他们设有专门研究PFAS化学品的部门，负责评估如何控制和缓解PFAS问题，识别哪些工艺环节涉及PFAS、哪些不涉及。Imec的客户是大型芯片制造商，因此我们通过这一合作，得以与这些潜在的技术用户建立联系，获得来自产业端的直接反馈。
目前已取得哪些"共同地球"解决方案？
赫伦：我们正在研究使用含氮前驱体（一种在制造过程中沉积于半导体上的化学层）来替代氟基化合物；在铪的替代方案上，我们也在探索更多基于盐类的材料组合。
从工艺层面应对PFAS问题的同时，密歇根大学另有团队从过滤层面入手，开发新型过滤材料，从废水中捕获并消除这些化学物质，目前这一方向是主要工作重心所在。
贝尔塔科：我们还致力于推动硅芯片生产的通用化，以拓宽其可及性。尤其希望消除当今众多芯片设计中普遍存在的"单一来源"依赖问题。为此，我们在架构层面探索Chiplet（芯粒）等新兴技术的应用潜力。未来基于可组合Chiplet的设计，可以实现可复用的模块化"切片"：低端方案使用单一切片，高端方案则通过组合多个切片来实现更强性能。GPU和CPU天然适合这种可扩展的模块化设计思路。
这些解决方案如何应对半导体供应链中的社会、环境与经济挑战？
贝尔塔科：消除PFAS向环境的扩散，将带来显著的综合效益。全球半导体产量正面临强劲增长压力，若不在这一方面有所作为，PFAS的产生量也将同步大幅增加。
同时，稀土问题不仅关乎资源本身，更涉及深层的社会与政治逻辑：一些国家拒绝向他国出售特定材料，或试图将其据为己用。但动态远不止于此。约翰·赫伦告诉我，几年前氖气价格暴涨十倍，原因是氖气是炼钢的副产品，而全球两大最重要的钢铁制造商位于乌克兰，产能中断直接引发了价格飙升。
有太多外部事件超出工程师和芯片制造商的掌控范围，却足以令整个行业陷入震荡。如果"共同地球"项目能够推动供应链变得更具韧性、原材料实现本地化供应，我们便能在一定程度上掌握更多主动权。
制造商是否有意愿解决这些问题？
赫伦：这是一个充满变数的领域，多个方向都可能出现突破。以PFAS为例：一旦相关立法全面收紧，明令禁止此类废弃物排放，若没有切实可行的替代方案，这对整个行业而言无异于致命一击。这些问题至关重要。如果美国既要维持本土制造业，又要兼顾排放与废弃物管理，就必须发展相应的替代工艺，它们终将成为不可或缺的关键所在。我认为答案是肯定的，只是时间早晚的问题。也许现在还不是，但若行业沿着目前的轨迹继续发展，我认为这一切终将不可避免。
Q&A
Q1："共同地球"项目的核心目标是什么？
A：该项目由密歇根大学与Imec合作开展，核心目标是消除硅芯片制造中的供应链瓶颈，重点聚焦两大方向：一是寻找铪等关键元素的替代材料，减少对稀土及特定来源材料的依赖；二是解决半导体制造过程中产生的PFAS（永久化学品）污染问题，从工艺和过滤两个层面加以应对。
Q2：铪为什么会成为芯片供应链中的瓶颈材料？
A：铪被广泛用于晶体管栅极介电层，是芯片制造中的关键材料。但铪并非独立开采的资源，而是锆矿开采的副产品，而锆矿开采主要服务于核工业。这意味着铪的供应直接受制于核工业的生产规模，一旦想扩大半导体产能，就必须同步扩大核工业产能，形成明显的连锁制约。研究人员正在探索更易获取的盐类材料作为替代方案。
Q3：Chiplet技术如何帮助解决芯片供应链问题？
A：研究人员提出，通过可组合Chiplet设计，可以将芯片拆分为可复用的模块化"切片"，低端产品使用单一切片，高端产品则组合多个切片。这种方式能有效打破当前众多芯片设计中"单一来源"的依赖局面，提升设计的灵活性和可及性，GPU和CPU等处理器天然适合这种可扩展架构。
