深度解密碳基芯片进展!换道探索20年，打造“中国芯”还要多少年(转载)

科技资讯周刊 05-31 16:07

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近期，美国对华为的升级制裁，一个小小的芯片就能成为美国制裁的工具，这让打造“中国芯”再次成为最大期待！ 而反观国内，芯片技术好比一只边缘不齐的木桶，其短板之处，决定着我国还无法实现芯片自主，这是摆在“中国芯”面前的困局。而近日我国碳基技术取得重大突破，或将终结硅时代，为打造“中国芯”带来了希望！

集成电路硅时代

集成电路就是把许多分立组件制作在同一个半导体芯片上所形成的电路，早在1952年，英国的杜默就提出集成电路的构想。1954年，硅晶体管问世，随后成为集成电路技术的主流。从1959年，英特尔的创始人、硅谷的缔造者之一罗伯特·诺伊斯发明硅集成电路之后，世界就进入了硅时代。

集成电路的核心就是硅，无论是制造芯片的设备，还是芯片自身的材料等，由硅制造的数十亿的晶体管集成在硅片之上，可以说，硅（Si）作为集成电路的最基础材料，它是人类社会近几十年快速发展的基石，而作为硅时代的缔造者，美国也在芯片产业中具有无可比拟的话语权。

硅基芯片的应用

现在台积电、格芯、英特尔等芯片制造，绝大部分采用硅基材料的集成电路技术，就是美国的硅基芯片技术，而该项技术被国外厂家长期垄断。因为《瓦森纳协定》,我国无法使用该技术。

目前台积电、三星、Intel已经量产了10nm及7nm工艺，国内目前最先进的量产工艺也才到14 nm，中芯国际正在研究实现7nm工艺，差距至少有两三代。高性能芯片更依赖先进工艺，现在台积电、三星又正在研究3 nm工艺。

摩尔定律逼近极限

摩尔定律是计算能力的指数增长。早在1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔就观察到，一英寸计算机芯片上的晶体管数量每年翻一番，而成本则减半。现在，这个时间是18个月，而且越来越长。事实上，摩尔定律不是定律，只是一个为芯片制造商工作的人的观察结果。

根据“摩尔定律”的著名论述，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件数目约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也提升一倍。但自14 nm节点开始，现实进展就开始慢于摩尔定律，瓶颈问题出现。

由于物理所限，硅基芯片2nm几乎是极限了，因为硅基管不能再小了。硅基芯片受限于晶体管热效应的因素，在小的话可能就无法容纳更多的晶体管数量，而无法提高运算速度。

探索替代硅新材料

硅基材料，像CMOS 晶体管一旦缩减到到一定程度，沟道长度随之变短，就会出现“短沟道效应”，导致部分器件失去功能，只有通过使用新结构或新材料来解决短沟道效应等问题，进一步提升器件能量利用率。

现在的新材料中，下一代的晶体管可能会从“石墨烯、碳纳米管、锗、砷化镓、氮化镓、砷化铟镓、锑化镓”七种材料中选择出具有发热小，电子迁移率高，承载电流大性能的材料出来。

碳将会替代硅材料

作为地球上普遍存在的碳元素，和硅是同族元素，它俩的化学属性和物理属性，也非常相似。IBM 的理论计算表明，相比硅基技术，碳管技术具备技术优势。斯坦福大学的研究也表明，碳管技术有望将常规的二维硅基芯片技术，发展成三维芯片技术。这至少能将当前芯片的综合能力，提升 1000 倍以上。

科学界普遍认为碳纳米管自身的材料性能远优于硅材料，碳管晶体管的理论极限运行速度可比硅晶体管快5～10倍，而功耗却降低到其1/10，因此是极佳的晶体管制备材料，碳管也是公认的、最理想的硅晶替代，大部分国家都认为终结硅时代的会是碳时代。这也是为什么我国会研究碳纳米管的原因。

多国都在研发碳管

不仅仅是我国，美国多个科研团队也都在研究碳纳米管，像英特尔和 IBM 等国外厂商。制备碳纳米管晶体管的传统方式是对碳管材料进行掺杂处理，通过掺杂的杂质控制晶体管的极性和性能。

碳管由于内部充满杂质，将会失去原本具有运行速度快的优势，同时还增加晶体管的功耗，相较传统的硅材料彻底失去竞争力。在技术难题面前，Intel等公司纷纷放弃了碳管晶体管的研制，唯有IBM公司继续研发。但由于研究周期长、成果转化不确定，以及碍于投资人压力，他们均未能在碳管技术方面有所建树。

我国突破关键技术

不久前，北京大学电子学系彭练矛院士和张志勇教授团队，突破了半导体碳纳米管关键的材料瓶颈，使其制备出的器件和电路在真实电子学表现上首次超过了硅基产品。相关成果发表在世界顶级学术期刊《科学》（Science）上，标志着碳管电子学领域、以及碳基半导体工业化的共同难题被攻克。

面对美国压力，华为与中国芯片企业深度合作，共渡难关

日经中文网报道指面对美国的限制，华为似乎已找到了解决的办法，那就是与中国台湾的联发科合作，大规模采用它的芯片，由联发科采用台积电最新的芯片制造工艺生产5G芯片并交给华为使用，由此延续华为手机的业务。 日经中文网指出，此前华为与台积电的合作模式

据彭练矛团队介绍，碳管作为一种新型纳米半导体材料，在物理、电子、化学和机械方面，具备特殊优势。如果碳基信息器件技术，可以充分利用上述优势，就有希望生产出性能优、功耗低的芯片。这是碳基集成电路兑现其理论潜力的第一步，至此，半导体碳纳米管集成电路才算拿出了比肩传统技术的真实表现。

探索碳管二十年

彭练矛和团队的研究，一路披荆斩棘。当时，国外大学和厂商，在纳米电子技术、设备和经验上，把持着最高话语权。最初的7年里，彭练矛团队按照国际上的主流路径，一路“跟车”， 耗时整整 8 年，终于迎来第一项标志性成绩，在2007年形成了基础性的碳管制备技术，在碳基芯片领域正式入场。

在“跟车”的这段时间里，他们始终没有等到碳管材料领域出现重大突破，于是接下去的10年里，课题组放弃传统掺杂工艺，研发了一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法，突破碳基N型MOS管制备的难题。

两次登上《科学》杂志

第一次是 2017 年。团队首次制备出栅长5纳米的晶体管，为世界上迄今最小的高性能晶体管，综合性能比当时最好的硅基晶体管领先十倍，其工作速度 3 倍于英特尔当时最先进的 14nm 商用硅材料晶体管，但能耗却只有其四分之一。

第二次是2018 年。高功耗给集成电路带来的发展瓶颈，越来越严重，半导体厂商也开始不断推迟新工艺上市时间。彭练矛团队在审视传统晶体管功耗的物理极限后，他们提出并制备出一种新型超低功耗晶体管：狄拉克源晶体管。该晶体管，可大幅降低传统晶体管工作时需要的驱动电压，能够满足未来超低功耗集成电路的需要。

最新碳管研究成果

这次课题组发展全新的提纯和自组装方法，制备高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料，并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路，展现出碳管电子学的优势。针对“6个9”的纯度目标，课题组采用多次聚合物分散和提纯技术得到超高纯度碳纳米管溶液，半导体纯度达99.99995%。

在排列方面，该研究团队提出结合维度限制自排列法，在国际上实现超越，可以在4英寸晶圆上，制备出密度高达 120 / 微米、半导体纯度超过 99.9999%、直径分布 1.45±0.23nm 的碳纳米管平行阵列，理论上达到了超大规模碳纳米管集成电路的需求。

团队已与华为对接交流

彭教授表示，走到现在这一步，就可以开始谈论规模产业化了。团队的下一个目标，是在2-3年内完成90纳米碳基CMOS先导工艺开发，性能上相当于28纳米硅基器件。虽然不是高端技术节点，但却是可以进入市场的门槛。

北京碳基集成电路研究院，是碳管技术的主要研究单位，该单位由北京市科委和北京大学共建。目前，研究院正在和华为等国内厂商对接，未来不排除华为等国内厂商，在芯片中使用碳管的可能。

碳基芯片的未来应用

彭练矛院士表示，碳基半导体研究是代表世界领先水平。与国外硅基技术制造出来的芯片相比，我国碳基技术制造出来的芯片在处理大数据时不仅速度更快，而且至少节约30%的功耗，若应用到智能手机上，因其拥有更低的功耗，将使待机时间大幅延长。

碳基半导体具有成本更低、功耗更小、效率更高的优势，更适合在不同领域的应用而成为更好的半导体材料选项。不久的将来可以应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域。

碳基芯片的应用难题

新的成果重点是材料方面的突破，极限性能远超硅材料。但是涉及到先进制程工艺，仍然需要光刻机来制作精密的纳米级图形。因为新的材料的产业链技术远未成熟，加上成熟的硅半导体技术还未达到极限，导致这项新技术离产业化应用距离尚远。

然而，可喜的是，《Science》杂志在同期还发表了另外一篇碳纳米管半导体的研究成果，未来有望取代光刻技术形成纳米图形，这种方法可以使可伸缩的DNA生物模板来制作纳米级的电子图形，也就是实际应用后可以摆脱光刻机。

结语：但是任何一项新技术从诞生到实际应用都不是一蹴而就的，硅半导体技术也是经过数十年发展才有如此成就。因为我们必须未雨绸缪重视新技术的积累和突破。我国在碳基技术领域取得的一系列突破进展，未来一旦我国的碳基技术方案取代了硅时代，那么原有的芯片垄断格局将彻底打破，美国所拥有的半导体优势将全部清零，意味着“中国芯”在新一代全球芯片产业中占据了核心话语权！

那么，大家有没有对将来的碳基芯片充满期待呢，觉得“中国芯”会成功吗？

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