許多行業的供應鏈都面臨重重阻礙，但對於半導體技術而言，情況尤為複雜。晶片的諸多關鍵組件受地理位置限制，極易受地緣政治因素影響。與此同時，晶片製造還與社會及環境問題深度交織，一旦某個看似微小的環節斷裂，整個產業鏈便可能隨之崩塌。
密西根大學的研究人員正與納米電子學研究機構Imec合作，共同探索突破材料瓶頸的方法。他們將這一研究項目命名為"共同地球
"（Common Earth），以此對照半導體行業對稀土的高度依賴。該團隊致力於尋找替代關鍵元素及永久性化學物質（即PFAS，又稱"永久化學品"）的創新方案，推動半導體供應鏈的變革。
IEEE Spectrum就此與密西根大學兩位項目負責人進行了深度對話：電腦工程系教授兼副教務長瓦萊里婭·貝爾塔科（Valeria Bertacco），以及材料科學與工程系副教授約翰·赫倫（John Heron）。
"共同地球"半導體材料的核心理念是什麼？
瓦萊里婭·貝爾塔科：該項目的目標是消除矽晶片製造過程中的供應鏈瓶頸。全球供應鏈中存在多種瓶頸來源：在材料層面，我們高度依賴稀土材料；同時，每次生產半導體都會涉及PFAS——這類化學副產品永遠無法從環境中徹底消除。
約翰·赫倫：在構思這一項目時，我們聚焦於幾種受管控程度較高、供應鏈相對脆弱的材料，其中包括鉿（用於電晶體柵極介電層）以及一些雖未直接集成於CMOS技術中、但對CMOS製造工藝不可或缺的稀土材料。
更準確的表述應為"關鍵元素"。鉿是我們重點關注的元素之一，它嚴格意義上並非稀土元素，其地緣政治管控程度也不及稀土，但同樣存在其他瓶頸。鉿實際上是鋯礦開採的副產品，而鋯礦開採主要服務於核工業，這意味著鉿的供應受核工業規模的直接制約。若要擴大半導體製造規模，就必須同步擴大另一個行業的產能。
此外，與這些材料直接或間接相關的是廢棄物問題。這些廢棄物往往含有氟化物，屬於PFAS類化學品，最終會進入廢水。我們認為該項目同樣肩負道德責任：既要消除這些永久化學品，關注副產品對健康與安全的影響，也要審視材料的來源及獲取方式，以更宏觀、更系統的視角看待晶片製造。
晶片技術依賴稀土和特定材料自有其原因，你們如何尋求突破？
貝爾塔科：一旦改變半導體生產中使用的材料，電晶體或儲存器件的特性也會隨之改變。人們選用特定介電材料是有原因的——它能提供所需的低延遲和高性能。我們的替代方案或許能實現較好的近似效果，甚至具備其他潛在優勢，但終究會有所不同。我們的應對思路是開發更優質的電路技術、更先進的架構和更完善的系統。例如，若因採用不同介電材料導致電晶體漏電增加，就需要更好的電源門控方案、更精細的頻率調節機制，以及更有效的電路級抑漏方案來加以彌補。
赫倫：稀土材料通常作為等離子體沉積工藝中的塗層使用，起到保護設備的屏障作用。稀土並非地球上真正稀缺的資源，問題在於，中國所擁有的礦石更適合高效加工。因此，我們的思路是轉向其他更易獲取、更易提煉的材料，探索那些能夠承受等離子體腐蝕的獨特化學組合。
Imec的合作如何推動了項目進展？
赫倫：Imec在晶片製造領域具備豐富實踐經驗，不僅能提供新技術測試平台，還能提供完整的工藝測試環境。他們設有專門研究PFAS化學品的部門，負責評估如何控制和緩解PFAS問題，識別哪些工藝環節涉及PFAS、哪些不涉及。Imec的客戶是大型晶片製造商，因此我們通過這一合作，得以與這些潛在的技術用戶建立聯繫，獲得來自產業端的直接反饋。
目前已取得哪些"共同地球"解決方案？
赫倫：我們正在研究使用含氮前驅體（一種在製造過程中沉積於半導體上的化學層）來替代氟基化合物；在鉿的替代方案上，我們也在探索更多基於鹽類的材料組合。
從工藝層面應對PFAS問題的同時，密西根大學另有團隊從過濾層面入手，開發新型過濾材料，從廢水中捕獲並消除這些化學物質，目前這一方向是主要工作重心所在。
貝爾塔科：我們還致力於推動矽晶片生產的通用化，以拓寬其可及性。尤其希望消除當今眾多晶片設計中普遍存在的"單一來源"依賴問題。為此，我們在架構層面探索Chiplet（芯粒）等新興技術的應用潛力。未來基於可組合Chiplet的設計，可以實現可復用的模組化"切片"：低端方案使用單一切片，高端方案則通過組合多個切片來實現更強性能。GPU和CPU天然適合這種可擴展的模組化設計思路。
這些解決方案如何應對半導體供應鏈中的社會、環境與經濟挑戰？
貝爾塔科：消除PFAS向環境的擴散，將帶來顯著的綜合效益。全球半導體產量正面臨強勁增長壓力，若不在這一方面有所作為，PFAS的產生量也將同步大幅增加。
同時，稀土問題不僅關乎資源本身，更涉及深層的社會與政治邏輯：一些國家拒絕向他國出售特定材料，或試圖將其據為己用。但動態遠不止於此。約翰·赫倫告訴我，幾年前氖氣價格暴漲十倍，原因是氖氣是煉鋼的副產品，而全球兩大最重要的鋼鐵製造商位於烏克蘭，產能中斷直接引發了價格飆升。
有太多外部事件超出工程師和晶片製造商的掌控範圍，卻足以令整個行業陷入震盪。如果"共同地球"項目能夠推動供應鏈變得更具韌性、原材料實現本地化供應，我們便能在一定程度上掌握更多主動權。
製造商是否有意願解決這些問題？
赫倫：這是一個充滿變數的領域，多個方向都可能出現突破。以PFAS為例：一旦相關立法全面收緊，明令禁止此類廢棄物排放，若沒有切實可行的替代方案，這對整個行業而言無異於致命一擊。這些問題至關重要。如果美國既要維持本土製造業，又要兼顧排放與廢棄物管理，就必須發展相應的替代工藝，它們終將成為不可或缺的關鍵所在。我認為答案是肯定的，只是時間早晚的問題。也許現在還不是，但若行業沿著目前的軌跡繼續發展，我認為這一切終將不可避免。
Q&A
Q1："共同地球"項目的核心目標是什麼？
A：該項目由密西根大學與Imec合作開展，核心目標是消除矽晶片製造中的供應鏈瓶頸，重點聚焦兩大方向：一是尋找鉿等關鍵元素的替代材料，減少對稀土及特定來源材料的依賴；二是解決半導體製造過程中產生的PFAS（永久化學品）污染問題，從工藝和過濾兩個層面加以應對。
Q2：鉿為什麼會成為晶片供應鏈中的瓶頸材料？
A：鉿被廣泛用於電晶體柵極介電層，是晶片製造中的關鍵材料。但鉿並非獨立開採的資源，而是鋯礦開採的副產品，而鋯礦開採主要服務於核工業。這意味著鉿的供應直接受制於核工業的生產規模，一旦想擴大半導體產能，就必須同步擴大核工業產能，形成明顯的連鎖制約。研究人員正在探索更易獲取的鹽類材料作為替代方案。
Q3：Chiplet技術如何幫助解決晶片供應鏈問題？
A：研究人員提出，通過可組合Chiplet設計，可以將晶片拆分為可復用的模組化"切片"，低端產品使用單一切片，高端產品則組合多個切片。這種方式能有效打破當前眾多晶片設計中"單一來源"的依賴局面，提升設計的靈活性和可及性，GPU和CPU等處理器天然適合這種可擴展架構。
