集成电路在我们的应用中非常广泛，它让我们的设备变得更加轻便化，体积也越来越小，就拿我们经常用的手机来说，从以前的“大哥大”，到现在的手持式智能手机，这些都得力于集成化电路的发展。它可以用1平方厘米大小的芯片装下以前需要一平方米才能完成的电路。

而我国也因为高端光刻机的原因，在7nm芯片以下的生产工艺上一直无法突破，目前由中芯国际生产的芯片只能达到24nm工艺，通过N+1工艺也只能勉强达到14nm，和ASML目前最新的5nm工艺来说相差还是很远的。不光如此我国目前生产的芯片合格率和产量都是非常低的。2019年我们的芯片自给率还不足20%。

那么在这个时候，想要弯道超车生产出高端工艺的芯片，除了在制程工艺上突破外，我们还可以从材料上进行突破，就这样，一种由新型碳纳米管材料制作而成的“碳基芯片”诞生。我们都知道，目前手机和电脑中使用的这些芯片都是半导体硅基芯片，主要材料是硅晶体。而碳基芯片的材料采用的是碳纳米管，两者材质的不同，我们便有了两种不同的称呼。

新一代碳基芯片诞生

在5月26日，北京碳基集成电路研究院传来一个好消息，由中国科学院院士彭练矛和张志勇教授带领的研发团队，花费了近20年的时间，终于在新型“碳基半导体”中取得重大的研究成果，不仅是突破了“碳基半导体”制造设备的瓶颈，更是实现了全球领先的“碳基纳米晶体管”芯片的制造技术。使得我们的芯片进入了“碳基时代”。

碳基芯片的发展

早在2年前，彭练矛院士和他的团队就已经制造出4吋5微米栅长的碳基芯片，相当于目前28nm工艺硅基芯片的性能，在同等栅长的硅基芯片对比下，性能至少提升了10倍以上。借鉴西瓜视频创作人东城观星在西瓜视频中的描述，这得利于目前可达到1-3纳米直径的碳纳米管工艺，特别适合做小尺寸的晶体管，能够做成立体控制结构，也有利于实现电路控制，也就是能实现更好的电路导通性，实现更快的0和1的二进制计算。在西瓜视频也能增涨知识了，大家可以关注他详细了解。

芯片的两种结构

我们都知道芯片中的晶体管其实就是纳米级的场效应管，执行着开和关，也就是0和1的二进制操作，正常的场效应管有三个极性，分别为源极、栅极和门极。并且分为P沟道和N沟道两种类型，而门极就相当于开关一样，我们简单的讲解一下两者的工作原理：首先我们在保证源极的一直有电压，N沟道的场效应管在门极大于一定电压的时候，场效管便会导通工作，而P沟道的是相反的，当门极为低于电压的时候才工作，但P沟通的制作难度要大很多，损坏率高。所以一般常用的是N沟道类型的设计。

摩尔定律束缚下，国产芯片替代的危与机

说到芯片，人们自然而然会联想到摩尔定律。从某种层面来说，正是摩尔定律的提出，才使得信息技术产业在50年内高速发展，也使得芯片应用越来越广泛，让人们的生活更加便捷、丰富，芯片与人类的关系越来越紧密，以致于很难想象缺少了芯片的世界会是什么样的。

碳基芯片面临的困难

1、碳纳米管的制作投入资金量大

碳纳米管的制作方法很多，但是基本工艺都只能保证在99.99%纯度，想要达到能制作芯片的要求，就必须要把碳纳米管提纯到99.9999%，这个程度的碳纳米管才能保证生产的“碳基芯片”性能更加稳定。想要达到批量生产纯度99.9999%难度还是非常大的。但是相比制作高端光刻机来说，这个可能更容易突破一些，但是投入的研发资金也会是巨大的。

2、高端人才稀缺，工艺难度更高

彭练矛院士表示：“现代芯片制备有上千个步骤，其中一步做不好，就没有好的产品。最后是一个系统优化的问题，材料、器件、芯片设计等密不可分。碳纳米管的制造乃至商用，面临最大的问题还是决心，国家的决心。若国家拿出支持传统集成电路技术的支持力度，加上产业界全力支持，3-5年应当能有商业碳基芯片出现，10年以内碳基芯片开始进入高端、主流应用。”

我国的集成化电路的人才相对紧缺，反而材料和化工领域的高手很好找。想要将“碳基芯片”转成产业化的话，需要全国各大芯片设计和制造厂商一起研究开发和适配，并且除了硬件之外，系统的驱动和优化也是保证整颗芯片能否正常工作的主要原因，彭练矛院士表示，这项工作想要批量投入使用，至少需要3-5年的时间。

总结一下

碳纳米工艺因其独特的性能，将更适合做3nm以下工艺的芯片。也将加速推动“摩尔定律”的发展。在芯片的发展历史上，碳基芯片或许是能打破硅基芯片瓶颈的一个新的方向，也是我国摆脱被高端光刻机卡脖子的重要手段，就算是需要光刻机辅助，想要让“碳基芯片”达到目前硅基7nm的水平，我们现在国产的光刻机就足够了。