隨著人工智能技術的飛速發展，芯片性能提升成為推動行業進步的核心動力。在這些芯片背后，硅鍺（SiGe）作為一種半導體材料，正在悄然發揮著越來越重要的作用。

硅和鍺同屬IV族元素，鍺位于硅的正下方，比硅多一個電子層。與較為傳統的硅相比，硅鍺憑借優異的電學特性，成為高頻和高速數據處理的理想材料，在高速通信和邊緣計算領域表現突出。那么，究竟是什么讓硅鍺脫穎而出？它在AI產業中又扮演著怎樣的角色？

什么是硅鍺？

要了解硅鍺，首先需要了解硅和鍺，尤其是鍺：

1、硅（Si）

首先，硅（Si）是半導體產業的基石。因其豐富的自然資源和穩定的化學特性，廣泛應用于各種電子器件中。作為大多數半導體器件的主要材料，硅擁有出色的導電性能和較高的熱穩定性，特別適合用于常規的低頻、高密度集成電路中。可以說，硅的應用讓我們進入了信息時代，但在面對高頻、高速的應用場景時，它的電學性能已經逐漸無法滿足更高的需求。

硅晶片

2、鍺（Ge）

而鍺（Ge）是一種少見的半導體材料，早在1869年化學家門捷列夫在創建元素周期表時就預測了鍺的存在，并將其命名為“類硅”，暗示它與硅有相似的性質。然而，直到1886年，德國化學家克萊門斯·溫克勒才從銀礦物中成功分離出鍺，驗證了門捷列夫的預測。

Ge金屬

在20世紀20年代，科學家開始研究鍺的電學性能，特別是其高電子遷移率。二戰期間，鍺憑借優秀的電學性能、較高的穩定性和低熔點，被用于制造雷達接收器中的點接觸整流器，顯著提升了性能。1947年，貝爾實驗室發明了世界首個晶體管，鍺成為主要材料，廣泛應用于軍事計算機、電話交換設備、收音機和助聽器等。

世界上第一個晶體管——用鍺制成

盡管鍺在高頻應用、射頻器件和高速光電子器件中具備獨特的優勢，但其稀缺性限制了其大規模使用。隨著硅技術的崛起，鍺逐漸被硅取代，特別是在大規模集成電路中的應用。然而，鍺依舊在一些特定領域占據重要地位。值得注意的是，2023年7月3日，中國商務部和海關總署發布公告，對鍺及其相關物項實施出口管制，進一步彰顯了這一材料的戰略意義。

3、硅鍺（SiGe）

雖然自打硅晶體管開始登上歷史舞臺，鍺的許多應用就逐漸被硅取代，但是這并不意味著鍺被掃入了歷史博物館。人們又為鍺找到了新的應用——硅鍺（SiGe）。它是硅與鍺優勢互補的理想材料組合，由IBM研究人員在20世紀70年代和80年代發現，迅速成為半導體領域的重要突破之一。

SiGe可以在幾乎任何硅基板上生長，鍺的加入賦予其比純硅更優異的電學特性。SiGe不僅保留了硅的穩定性和低成本，還具備更高的電子遷移率和頻率響應，大幅提升了器件在高頻、高速環境下的性能。利用Si-SiGe連接的電路相比純硅電路具有更快的電子遷移率。

SiGe外延晶片

此外，SiGe與傳統的硅基工藝兼容，這使得它能夠融入現有的生產流程，進一步降低了制造成本。因此，SiGe在無線通信、高速計算以及其他需要高頻響應的領域得到了廣泛應用，特別是在5G和光通信、雷達/激光雷達以及高速銅接口應用中，其性能優勢尤為明顯。

硅鍺與AI產業的結合

SiGe技術的核心是SiGe異質結雙極晶體管(HBT)。與傳統的硅雙極晶體管相比，SiGe HBT具有更高的速度、更低的噪聲和更低的功耗等優勢。這使得SiGe成為實現通信電路的理想選擇，特別是在射頻和模擬應用方面表現出色。

射頻芯片QUBiC SiGe

而在如今發展得如火如荼的人工智能（AI）產業中，SiGe技術的前景主要體現在以下幾個方面：

①高性能計算和信號處理：AI系統通常需要處理大量的數據并進行復雜的計算。SiGe器件能夠在高頻下工作，且功耗較低，適合用于構建高速信號處理器和通信模塊，提升AI芯片的整體性能。

②5G與邊緣計算：隨著5G技術的發展，AI與邊緣計算的結合日益緊密，設備（如智能手機、物聯網設備等）需要在本地數據中心快速處理和傳輸數據，不會完全依賴云計算。SiGe材料在5G高頻頻段（毫米波）中表現出色，廣泛應用于相關的AI硬件中，用于構建高效的射頻前端和數據傳輸模塊，滿足相關系統的實時計算和通信需求，如此一來這些設備即使沒有互聯網連接也可以運行并獨立做出決策。

③高精度傳感器：SiGe材料憑借其低噪聲特性、高電子遷移率和優異的光電響應能力，在構建高精度傳感器方面展現出顯著優勢，在相關AI系統的數據輸入和處理過程中發揮了重要作用。比如，SiGe傳感器在自動駕駛和智能制造中能夠增強視覺和環境感知功能。其關鍵在于，SiGe外延層應用于短波紅外傳感器時，可提高對短波紅外光的探測靈敏度，提升信號處理的精度和效率。

總結

總之，在未來隨著AI產業對更高速、低功耗的需求增長，SiGe材料可能在通信、數據處理等關鍵領域中獲得更廣泛的應用，尤其是在需要高頻和低延遲的場景中。隨著技術的不斷成熟和工藝的優化，SiGe有望突破更多技術瓶頸，為5G網絡、邊緣計算以及新一代智能設備提供更強大的支持。

資料來源：

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