半導體公司發現自己處境艱難。數十年來，硅的常規創新使該行業一直保持盈利和不斷取得令人印象深刻的性能改進。最近，企業越來越難以從硅中獲取更多價值。這種困境讓企業一直在思索用什么材料來取代硅以及何時取代硅。以石墨烯為例，它被譽為是一種具有等同于或超越硅性能潛力的奇跡材料。然而，這種材料的商業化可能需要25年的時間，需要在研發和資本成本上投入大量資金才能將其投入生產。由于目前大量的資金都被分配給了硅，公司高管們必須確定合適的時機，將重心轉向下一種物質——即使效果不一定得到保證。

       從突破性發現到變革型工業應用的道路可能是漫長且迂回的。通常，緊隨第一次可能的重大發現是幾十年的開發、改進和試驗。即便如此，也無法保證一定會成功。世界各地的實驗室里到處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。這一先例讓高管們在決定何時何地投資新興創新時舉棋不定。對于每一個把賭注押在新興數字技術上的公司來說，有數十個競爭對手完全錯過了這股潮流，他們必須迎頭趕上。時間將會告訴我們，柯達最近進軍比特幣行業，是一項孤立的舉措，還是一個有先見之明的長期戰略。

       半導體公司發現自己處境艱難。數十年來，硅的常規創新使該行業一直保持盈利和不斷取得令人印象深刻的性能改進。最近，企業越來越難以從硅中獲取更多價值。這種困境讓企業一直在思索用什么材料來取代硅以及何時取代硅。以石墨烯為例，它被譽為是一種具有等同于或超越硅性能潛力的奇跡材料。然而，這種材料的商業化可能需要25年的時間，需要在研發和資本成本上投入大量資金才能將其投入生產。由于目前大量的資金都被分配給了硅，公司高管們必須確定合適的時機，將重心轉向下一種物質——即使效果不一定得到保證。

       挑戰遠不止石墨烯，隨著半導體公司尋求識別并利用下一波創新成果，高管們必須采取不同的方式。要理解看似完全不同的開發材料如何能夠創建新的業務模型和應用程序，就需要一個更廣泛的視角。半導體公司的高管們應該利用這一視角，制定一個長期戰略，在監控新生創新技術的同時，從現有材料和技術中提取價值。這種思維模式將使企業在未來幾年既能應對已知挑戰，又能應對未知挑戰。

       硅：舉步維艱？

       硅，半導體工業中使用的主要材料，歷史上一直與摩爾定律的地位一致，帶來了史無前例的進步。先進的分析技術、增強現實技術、自動駕駛汽車、數字技術和物聯網等顛覆性和變革性的技術，都是現代生活中最先進的科技創新技術，都對硅材料性能的進一步改善提出了更高的要求。然而，人們對硅的未來及其支持創新的能力提出了嚴重的質疑：以下三種趨勢可以表明這點。

       性能改進緩慢導致定價壓力

       硅為設計師和工程師提供了大展身手的舞臺，數十年來硅的性能不斷得到提升。看看20世紀70年代的數據就會發現這些性能呈指數級改進。然而，近年來這一速度明顯放緩。個人電腦的處理能力已經趨于平穩，智能手機處理器性能的提高也開始放緩——簡而言之，硅正在進入衰退期(見表1)。這些趨勢意味著，在持續創新的基礎上建立競爭優勢的公司，隨著其他公司的發展，它們的領先地位開始下降。

       資金和研發成本不斷上升

       隨著半導體公司轉向下一代晶圓廠，它們的成本會繼續上升。為了實現性能提升,我們估計公司必須增加高達40%的資本支出(對新設備的要求)和150%的研發支出才能達到相同的吞吐量(見表2)。資本成本增加的主要原因在于生產設備,自從該行業向多重圖式過渡以來，已增加了約20億美元。毫不奇怪，集成設備制造商迅速增加了在領先節點技術上的研發投資。

       硅的物理限制

       除了商業上的挑戰，硅性能是否會持續改進也是不確定的，因為創新已經達到材料的物理局限性。例如，節點長度正在接近傳導通道寬度，這會致使性能受到嚴重限制:硅晶體管將由于隧道效應、泄漏和熱問題等小維度的量子效應而停止工作。光刻、儀器和納米結構制造的局限性也將阻礙進步。

       為什么石墨烯可以改變目前的困境?

       該行業正在試驗幾種奇異的新材料，包括硅烯、鍺烯和黑磷，但石墨烯被吹捧為最有潛力的材料(見表3)。

2004年，英國曼徹斯特大學(University of Manchester)的兩位研究人員發現了一種原子厚度的石墨烯，這一發現激發了 人們的猜想，即它可能成為硅的高級替代品。石墨烯的特性讓各行各業的公司垂涎三尺:據估計，石墨烯的移動性約是硅的250倍，它的靈活性和其他特性使它成為從電池技術到觸摸屏等光電子產品等一系列應用的理想選擇。最近的專利、學術論文和研究論文證明了人們對石墨烯的廣泛興趣。

       盡管如此，石墨烯的采用還是很困難的。那么是什么阻礙了石墨烯的采用呢?我們已經確定了四種限制，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。在過去的十年里，研究人員專注于解決這個問題，但尚未破解這個問題。此外，石墨烯制造必須產生高質量的晶體，并與現有的互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件兼容。在工業方面，晶圓廠需要投入大量資金，但半導體公司的大部分資源與目前的晶圓廠改善計劃有關。此外，硅已經擁有了一個集成的價值鏈，但要為石墨烯重新創造一個價值鏈需要數十億美元的投資。

       考慮到這些不確定性，我們預計石墨烯的采用和市場增長將分為三個階段:增強劑階段、替換硅階段和革命性電子階段(見表4)。

       在近期，我們期望石墨烯可以作為硅的增強劑，因為石墨烯的保護層可以用來提高互連的可靠性和性能。目前，銅互連上采用了14個納米氮化鉭金屬屏障，以防止擴散到硅中。在小于10納米的間隙中，擴散成為設備故障的主要原因。石墨烯屏障比釕和鈷等其它替代物具有幾個優勢，包括保護能力更好、只有它們的1/8大小、互連速度快30%左右。

       石墨烯目前無法大規模應用的主要原因有兩個。石墨烯的轉移和涂層過程的要求需要在制造過程中得到充分發展和整合。此外，石墨烯的成本必須大幅降低，才能實現商業化大規模生產。我們預計，至少需要5到10年的時間來解決這些問題后，石墨烯才能成為硅的一種可行替代品。

       在未來的10到25年里，石墨烯將取代硅作為半導體的主要材料，前提是研究人員能夠找到克服其帶隙限制的方法。即便如此,石墨烯將在應用程序中利用其技術的優點(如高速、低損耗、規模小和靈活性)比其他材料更適合電子應用程序(見表5)。我們的分析計算了數據處理、無線通信和消費電子產品中石墨烯的總可尋址市場價值將為1900億美元。

       總體而言，樂觀的預測顯示，到2030年，石墨烯半導體的市場價值有望達到700億美元左右。

       領先的半導體企業應該如何發展？

       歷史表明，有些技術需要很長時間才能商業化，但一旦進入市場，它們就能迅速改變行業。根據我們的經驗，有過利用廣泛網絡發現下一個革命性技術的公司，往往更有能力承受行業顛覆。

       石墨烯的前景受到所討論的嚴峻技術和商業挑戰所抵消，這些挑戰可能阻礙石墨烯作為硅替代物的使用。因此，在評估石墨烯的真正潛力時，半導體行業的高管們應該使用結構化創新方法來評估他們的選擇。創新x射線由三個類別(創新戰略、技術中斷和創新實踐(見表6))的10大問題組成。解決這些問題可以幫助企業領導者在追求創新的同時更好地了解其組織的能力，并支持在使用石墨烯或不使用石墨烯的情況下探索不同的方案。其結果是制定了一項戰略，為企業進行顛覆性的、技術驅動的行業變革做好準備。

       在對硅進行了長期且富有成效的開發后，高管們開始考慮用什么來取代硅，并提供類似的創新曲線。石墨烯的特性激發了人們的想象力，但到目前為止，它的物理局限使它無法被命名為硅的繼承人。最近的技術創新歷史表明，發展態勢可能會迅速發生改變——因此，高管們應該把石墨烯視為一個有力的競爭者。無論最終結果如何，半導體企業都可以通過采用專注于結構化創新的思維模式來定位自己，以應對顛覆性技術，并使自己在競爭中脫穎而出。