中國的碳基芯片漸占優(yōu)勢

按照科學(xué)家的預(yù)計，硅基芯片的物理極限在1nm。而按照晶圓廠們的工藝演進，3nm后的工藝是2nm，再之后的工藝是1.4nm。因為硅基材料所限，硅基芯片性能的缺陷會變得愈發(fā)明顯，無法再往1nm以下推進。比如：

在工藝方面，硅基芯片出現(xiàn)了量子隧穿效應(yīng)、原子摻雜漲落、功耗墻等現(xiàn)象。

在架構(gòu)方面，出現(xiàn)了馮諾依曼架構(gòu)的內(nèi)存墻現(xiàn)象。

在晶體管原理方面，也出現(xiàn)了亞閾值擺幅的玻爾茲曼極限與工作電壓的縮減極限。

因此，尋找能夠替代硅基芯片的材料成為熱門話題，碳基芯片也開始頻繁出現(xiàn)在公眾的視野。

01、碳基芯片的三大明顯優(yōu)勢

第一，碳基芯片有著更低的極限、更優(yōu)的性能和更低的功耗，更適合未來科技的高速發(fā)展。碳基芯片由碳基晶圓打造而來，碳基晶圓的基礎(chǔ)則是石墨烯半導(dǎo)體材料。由于石墨烯具有載流子遷移率高和熱導(dǎo)率好等優(yōu)良特性，使得石墨烯晶體管運轉(zhuǎn)速度比硅基晶體管快5~10倍，而功耗卻是硅基晶體管的1/10。給碳基芯片提供了更低的極限、更優(yōu)的性能和更低的功耗。

第二，碳基芯片對于光刻機的制程工藝要求并不高。采用90nm工藝的碳基芯片有望制備出性能和集成度相當于28nm技術(shù)節(jié)點的硅基芯片，采用28nm工藝的碳基芯片則可以實現(xiàn)等同于7nm技術(shù)節(jié)點的硅基芯片。也就是說采用28nm的光刻機，就能獲得全球最先進EUV光刻機的效果。

第三，目前國際在該領(lǐng)域的技術(shù)幾乎空白。盡早研發(fā)可以占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢。

02、碳基芯片的成果

在碳基芯片的研發(fā)中，這場科技追逐戰(zhàn)主要在兩個世界頂級名校之間展開——北京大學(xué)（聯(lián)合中科院）和麻省理工學(xué)院。在《自然》、《科學(xué)》雜志上出現(xiàn)的多篇碳晶體管的論文也多由這二者發(fā)布。

北京大學(xué)彭練矛院士表示，與國外硅基芯片相比，中國在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時所采用的國產(chǎn)碳基芯片速度快，功耗低，至少可節(jié)省三成。并且當前國內(nèi)石墨烯晶圓生產(chǎn)技術(shù)無論在石墨烯單晶晶圓的尺寸和質(zhì)量上，均處于國際領(lǐng)先水平?？梢姡袊谔蓟酒邪l(fā)中已具有優(yōu)勢。

03、碳基芯片的研發(fā)意義非凡

早在2017年，北京大學(xué)在5nm柵極碳納米管CMOS器件的工作就證明了碳納米管在達到理論極限時可以克服短溝道效應(yīng)，這就使其不必使用如硅技術(shù)那樣發(fā)展更復(fù)雜的三維晶體管技術(shù)，例如FinFET，來降低短溝道效應(yīng)。另外，碳納米管技術(shù)本身是一個低溫技術(shù)，可以制備三維的芯片O。此前，斯坦福大學(xué)也曾發(fā)布報告稱：如果將碳納米管晶體管設(shè)計成三維的話，性能可以比二維的硅晶體管提升1000倍。

目前芯片絕大部分采用硅基材料的集成電路技術(shù)，高端芯片技術(shù)被國外廠家長期壟斷，中國每年進口芯片的花費高達3000億美元。加速以芯片為代表的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展早已成為國家戰(zhàn)略，但在逆全球化和產(chǎn)業(yè)封鎖的大背景下，中國現(xiàn)有的硅基半導(dǎo)體發(fā)展舉步維艱，多數(shù)集中在低利潤、低附加值的環(huán)節(jié)。碳基芯片的這一全新路徑給中國制備高端芯片帶來了更多的可能性。

目前，全球半導(dǎo)體大廠的技術(shù)仍然堅持在硅晶圓上，英特爾、三星、臺積電正把所有的資源投資在5nm，3nm的制造技術(shù)上。也就是說，在未來至少5年內(nèi)，碳基芯片大規(guī)模生產(chǎn)不會在這幾個中誕生。那么，在這一領(lǐng)域成為新興工廠的領(lǐng)頭羊最合適的環(huán)境將是在中國。

根據(jù)國家知識產(chǎn)權(quán)局官方資料，2021年，華為發(fā)布了石墨烯晶體管專利，此前還有消息稱華為將與北京大學(xué)成立專門的科研團隊致力于碳基芯片的開發(fā)?？梢姡蓟酒蛟S已經(jīng)成為華為芯片未來的發(fā)展方向之一。

然而，目前世界上尚沒有一家公司能夠造出商用的碳基芯片。“碳基芯片”為何沒有像我們預(yù)想的那樣如期地進入市場？

04、碳基芯片暫時無法取代硅基芯片

碳納米管提純難

對芯片制造來說，碳納米管具備優(yōu)秀的性能，但真正利用起來并不容易。據(jù)悉，碳基芯片的純度至少在6到8個9的時候（99.999999%），才能夠讓碳基芯片的性能比肩傳統(tǒng)硅基芯片。這也是MIT團隊的CPU明明包含1.4萬個碳納米管晶體，性能卻不如北京大學(xué)由大概2500個晶體管組成的CPU的原因。

對于碳納米管來說，單一的提純方法很難將碳納米管中的雜質(zhì)完全去除，尤其是單壁碳納米管。碳納米管制備完后常包含大量雜質(zhì)，其雜質(zhì)主要包括碳雜質(zhì)和金屬雜質(zhì)兩大類。碳納米管中雜質(zhì)的存在限制了其應(yīng)用，因此對碳納米管的提純成了目前急需解決的技術(shù)難題。

量產(chǎn)困難

除工藝限制外，碳基芯片量產(chǎn)依舊比硅基芯片難很多。一方面世界各國對于石墨烯的研究，還沒有到達讓碳基晶圓批量生產(chǎn)，滿足各大企業(yè)需求的地步；另一方面碳基半導(dǎo)體與硅基半導(dǎo)體的相關(guān)技術(shù)與工藝設(shè)備也存在差異，雖然現(xiàn)有的硅基半導(dǎo)體加工設(shè)備有90%可以直接應(yīng)用到碳基中，但部分工藝或設(shè)備需要調(diào)試，才能適配碳基半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)。

量產(chǎn)是決定商業(yè)化很重要的前提，沒有大規(guī)模的生產(chǎn)，就無法真正地商業(yè)化；產(chǎn)量不足，價格就無法降下來。

至于現(xiàn)有產(chǎn)品的量產(chǎn)時間，中國碳基芯片研究人員稱，自2018年，前4英寸碳基晶圓的整條線投入從制備、電路設(shè)計、光刻、封裝全線的實驗以來，已經(jīng)在產(chǎn)品端上出了4英寸5微米柵長的碳基晶圓。這些成果已可以直接跟前端射頻器件廠商牽手。難度相對較低的物聯(lián)網(wǎng)碳管芯片，預(yù)計未來3至5年內(nèi)就可能商用。而應(yīng)用于手機和服務(wù)器上的碳基芯片，則需要更長時間。

產(chǎn)學(xué)研融合不易

根據(jù)中國的產(chǎn)學(xué)研現(xiàn)狀來看，國內(nèi)公司更愿意在研究成果成熟時和高校合作。因為帶有不確定性的合作，短期內(nèi)很難給公司帶來盈利，長期看又存在一定風(fēng)險，產(chǎn)業(yè)界得不到足夠動力投入資金。而碳基半導(dǎo)體技術(shù)從實驗室到產(chǎn)業(yè)界，中間還需要進行工程化研究，其中面臨的挑戰(zhàn)包括資金的持續(xù)保證、理念的轉(zhuǎn)變以及與現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的兼容等。如果產(chǎn)學(xué)研不能更好地融合，這些問題只依靠研究團隊很難解決。

目前，雖然多數(shù)國內(nèi)公司更愿意在研究方案成熟時來和高校合作，但處在行業(yè)引領(lǐng)地位的華為，會更關(guān)注基礎(chǔ)研發(fā)，目前已和彭練矛團隊接觸、對接。

05、總結(jié)

伴隨著可移動智能設(shè)備、云存儲和大數(shù)據(jù)處理的廣泛應(yīng)用，迅速發(fā)展的信息產(chǎn)業(yè)對未來的半導(dǎo)體芯片和信息處理技術(shù)提出了前所未有的要求。為了延續(xù)摩爾定律和應(yīng)對后摩爾定律時代，持續(xù)提升芯片性能，需要發(fā)展速度更快、能耗更低的新型半導(dǎo)體芯片。

在碳基芯片這條道路上中國逐漸占據(jù)了優(yōu)勢，但是目前研發(fā)出的碳基芯片的集成度仍和當前世界上普遍使用的硅基芯片相比還差很遠。目前學(xué)校實驗室已可以采用碳納米管材料制備出一些中等規(guī)模甚至大規(guī)模的集成電路，但是要用它做超大規(guī)模集成電路還不行。彭練矛表示，在國家重視且科研經(jīng)費充足的情況下，預(yù)計3—5年后碳基技術(shù)能夠在一些特殊領(lǐng)域得到小規(guī)模應(yīng)用；預(yù)計10年之后碳基芯片有望隨著產(chǎn)品更迭逐漸成為主流芯片技術(shù)。

值得注意的是，國內(nèi)對新概念往往過于狂熱。碳基芯片在眾多領(lǐng)域確實大有潛力，但從發(fā)現(xiàn)潛力到產(chǎn)業(yè)化，中間需要的是腳踏實地的研究，也需要大眾對新技術(shù)研發(fā)失敗的包容。不僅僅需要“新”材料，更需要的是“新”的產(chǎn)學(xué)研體系，以及更加開放包容的投資環(huán)境。