碳基芯片或许是中国芯片“换道超车”之路

进入21世纪以来，由于传统硅基芯片受摩尔定律的限制，发展速度日益缓慢，人们一直试图寻找能够替代硅的芯片材料，而碳纳米晶体管就是最具研究价值的方向。集成电路的整体技术从设计到制造，是目前为止人类历史上最精密的设计、制造加工技术。如果把芯片比作一栋房子，晶体管就是建房的砖头，一栋栋的房子就构成了我们的信息社会。说白了，晶体管越多，芯片的运算速度也就越快。现在我们听到的所谓22nm、14nm、10nm、7nm这些芯片，里面这个多少纳米不是指的就是芯片里面以硅材料为基础的晶体管的大小，而是指芯片上晶体管的栅极宽度。

但是由于摩尔定律的限制，目前硅材料芯片的极限制程差不多是在2nm到1.5nm。为什么硅晶体管不能做更小，简单来说，就是因为硅的一些特性限制。如果晶体管太小，出故障的概率就会急剧升高，把芯片里面上百亿个晶体管协调起来一起工作就非常困难。那怎么解决这个问题呢？有个重要的流派，就是换个材料，咱们不要再用硅做晶体管了，用碳元素。为什么要用碳元素呢？其实啊，这跟碳元素本身很多优质的特性有关。用碳纳米管做的晶体管，它的电子迁移率可以是硅的1000倍，通俗来说就是碳材料里面电子的群众基础更好。再比如，碳纳米管里面的电子自由程特别长，通俗的理解就是电子的活动更自由，不容易摩擦发热。由于这些底层的优点，用碳来做晶体管，甚至不用像硅晶体管那么小，就可以取得同等水平的性能。碳基芯片有望把制程工艺推进到3纳米以下，成本更低，性能超越硅基芯片10倍以上，节约至少30%的功耗。

碳基芯片使用的是碳纳米管的纯度需要提炼到99.9999%，只有在这个纯度上做出来的芯片才更加稳定。碳纳米管本身就是一种性能非常非常优良的半导体，用其做成的晶体管性能更加优秀，如果说硅基芯片的制作像木工雕刻的话，那么碳纳米管芯片制作的方式更像是贴瓷砖，瓷砖和瓷砖必须保持平行，更不能摞在一起，这是最难的一步。而北大的芯片研究团队和国内化学科研团队，最先在高纯度的碳纳米工艺管生产上实现了突破。中国科学院院士、北京大学教授彭练矛团队的研究，解决了碳基芯片材料制备的瓶颈，比如纯度，密度与面积问题，目前已经可以实现在8寸晶圆上均匀摆放碳纳米管了。这个进展至少让我们在国际上保持两年的优势，碳基芯片为我们突破国外封锁开辟了一条新道路。

2017年的时候，彭练矛的团队就已经研制出了高性能5nm（纳米）栅长碳纳米管CMOS器件，这是当时世界上最小的高性能晶体管，综合性能比最好的硅基晶体管高出了十倍，但是能耗却只有硅材料晶体管25%，当时也刊登在了《自然科学》上。彭练矛院士指出：未来碳基技术将在国防科技，卫星导航，气象监测、人工智能和医疗器械等众多领域发挥出更大的作用，未来若应用到手机上，将获得超长的待机时间，现在的手机在观看电影时可能三小时就没电了，可如果使用碳基芯片观影时间达到九小时，更厉害的是，就算同时打开多个应用程序也不会卡顿。他们的这项研究成果已经被收录在今年5月22日的《科学》期刊“应用物理器件科技”栏目中。

虽然目前它还停留在实验室阶段，它的制造也离不开光刻机，但至少开局我们已经领先。照这样看，碳基芯片有可能颠覆整个芯片行业，而这个赛道的领跑者包括中国。未来将让我国在世界半导体行业有更多的话语权，面对美国在芯片领域，对我国全面的技术封锁，我国在半导体领域也出现了前所未有的井喷式发展，这种情况也完美诠释了我国的那句老话，让你走向成功的是你的朋友，但能让你走向伟大的只有你的敌人！