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按照科學(xué)家的預(yù)計(jì)，硅基芯片的物理極限在1nm。而按照晶圓廠們的工藝演進(jìn)，3nm后的工藝是2nm，再之后的工藝是1.4nm。因?yàn)楣杌牧纤?，硅基芯片性能的缺陷?huì)變得愈發(fā)明顯，無(wú)法再往1nm以下推進(jìn)。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(kāi)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(shì)
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(lái)科技的高速發(fā)展。碳基芯片由碳基晶圓打造而來(lái)，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(yùn)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(duì)于光刻機(jī)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(dāng)于28nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的硅基芯片，采用28nm工藝的碳基芯片則可以實(shí)現(xiàn)等同于7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的硅基芯片。也就是說(shuō)采用28nm的光刻機(jī)，就能獲得全球最先進(jìn)EUV光刻機(jī)的效果。
第三，目前國(guó)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(shì)。
02、碳基芯片的成果
在碳基芯片的研發(fā)中，這場(chǎng)科技追逐戰(zhàn)主要在兩個(gè)世界頂級(jí)名校之間展開(kāi)——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(guó)外硅基芯片相比，中國(guó)在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)所采用的國(guó)產(chǎn)碳基芯片速度快，功耗低，至少可節(jié)省三成。并且當(dāng)前國(guó)內(nèi)石墨烯晶圓生產(chǎn)技術(shù)無(wú)論在石墨烯單晶晶圓的尺寸和質(zhì)量上，均處于國(guó)際領(lǐng)先水平?？梢?jiàn)，中國(guó)在碳基芯片研發(fā)中已具有優(yōu)勢(shì)。
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(dá)到理論極限時(shí)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(lái)降低短溝道效應(yīng)。另外，碳納米管技術(shù)本身是一個(gè)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(bào)告稱：如果將碳納米管晶體管設(shè)計(jì)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(guó)外廠家長(zhǎng)期壟斷，中國(guó)每年進(jìn)口芯片的花費(fèi)高達(dá)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(guó)家戰(zhàn)略，但在逆全球化和產(chǎn)業(yè)封鎖的大背景下，中國(guó)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(rùn)、低附加值的環(huán)節(jié)。碳基芯片的這一全新路徑給中國(guó)制備高端芯片帶來(lái)了更多的可能性。
目前，全球半導(dǎo)體大廠的技術(shù)仍然堅(jiān)持在硅晶圓上，英特爾、三星、臺(tái)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(shuō)，在未來(lái)至少5年內(nèi)，碳基芯片大規(guī)模生產(chǎn)不會(huì)在這幾個(gè)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(guó)。
根據(jù)國(guó)家知識(shí)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(tuán)隊(duì)致力于碳基芯片的開(kāi)發(fā)?？梢?jiàn)，碳基芯片或許已經(jīng)成為華為芯片未來(lái)的發(fā)展方向之一。
然而，目前世界上尚沒(méi)有一家公司能夠造出商用的碳基芯片?！疤蓟酒睘楹螞](méi)有像我們預(yù)想的那樣如期地進(jìn)入市場(chǎng)？
04、碳基芯片暫時(shí)無(wú)法取代硅基芯片
碳納米管提純難
對(duì)芯片制造來(lái)說(shuō)，碳納米管具備優(yōu)秀的性能，但真正利用起來(lái)并不容易。據(jù)悉，碳基芯片的純度至少在6到8個(gè)9的時(shí)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(tuán)隊(duì)的CPU明明包含1.4萬(wàn)個(gè)碳納米管晶體，性能卻不如北京大學(xué)由大概2500個(gè)晶體管組成的CPU的原因。
對(duì)于碳納米管來(lái)說(shuō)，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(duì)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(guó)對(duì)于石墨烯的研究，還沒(méi)有到達(dá)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(méi)有大規(guī)模的生產(chǎn)，就無(wú)法真正地商業(yè)化；產(chǎn)量不足，價(jià)格就無(wú)法降下來(lái)。
至于現(xiàn)有產(chǎn)品的量產(chǎn)時(shí)間，中國(guó)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(jì)、光刻、封裝全線的實(shí)驗(yàn)以來(lái)，已經(jīng)在產(chǎn)品端上出了4英寸5微米柵長(zhǎng)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(duì)較低的物聯(lián)網(wǎng)碳管芯片，預(yù)計(jì)未來(lái)3至5年內(nèi)就可能商用。而應(yīng)用于手機(jī)和服務(wù)器上的碳基芯片，則需要更長(zhǎng)時(shí)間。
產(chǎn)學(xué)研融合不易
根據(jù)中國(guó)的產(chǎn)學(xué)研現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)內(nèi)公司更愿意在研究成果成熟時(shí)和高校合作。因?yàn)閹в胁淮_定性的合作，短期內(nèi)很難給公司帶來(lái)盈利，長(zhǎng)期看又存在一定風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)業(yè)界得不到足夠動(dòng)力投入資金。而碳基半導(dǎo)體技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)界，中間還需要進(jìn)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(wèn)題只依靠研究團(tuán)隊(duì)很難解決。
目前，雖然多數(shù)國(guó)內(nèi)公司更愿意在研究方案成熟時(shí)來(lái)和高校合作，但處在行業(yè)引領(lǐng)地位的華為，會(huì)更關(guān)注基礎(chǔ)研發(fā)，目前已和彭練矛團(tuán)隊(duì)接觸、對(duì)接。
05、總結(jié)
伴隨著可移動(dòng)智能設(shè)備、云存儲(chǔ)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(duì)未來(lái)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(duì)后摩爾定律時(shí)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(guó)逐漸占據(jù)了優(yōu)勢(shì)，但是目前研發(fā)出的碳基芯片的集成度仍和當(dāng)前世界上普遍使用的硅基芯片相比還差很遠(yuǎn)。目前學(xué)校實(shí)驗(yàn)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(guó)家重視且科研經(jīng)費(fèi)充足的情況下，預(yù)計(jì)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(jì)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(guó)內(nèi)對(duì)新概念往往過(guò)于狂熱。碳基芯片在眾多領(lǐng)域確實(shí)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(shí)地的研究，也需要大眾對(duì)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(kāi)放包容的投資環(huán)境。
