芯片，芯片，芯片，是人类顶尖智慧的结晶，也是中国高科技产业的痛。而随着硅基芯片越来越靠近物理极限，摩尔定律即将失效，芯片的未来出路在哪里？中国又该怎么做到弯道超车？

什么是碳基芯片？

大家平时听到的都是芯片这个词，其实芯片也有不同的种类。目前使用的就是硅基芯片，顾名思义，是用SiO2，也就是沙子做成的芯片。为什么用硅做芯片了？最重要的原因就是硅在地球的含量非常非常的多，易于获得。

沙子是芯片的原料

硅基芯片不仅制作复杂， 核心技术基本都被以美国为首的西方国家所掌控。同时硅基芯片的性能是由晶体管或元器件的数量决定的，而随着摩尔定律不断的逼近极限，硅材料的各种问题也都显现出来了。比如硅的电子迁移率和击穿电场较低，在光电和高频高功率方面应用交叉。可以说，硅基芯片是一条没有前途的路。

那怎么办了？换材料，用碳(C)做芯片，这就是碳基芯片。碳的自身性能远优于硅，运行速度可以快5-10倍，而功耗却只有硅的十分之一。同时石墨烯的产业很成熟，碳基芯片的成本也更低。

石墨烯

碳基芯片的传导传热能力强，也可以应用在大功率，高频高功率这些硅基芯片无法应用的方面。尤其是在10nm之下，碳基芯片具有明显的性能优势，有望可以达到摩尔定律的极限。

早在1998年，IBM与荷兰代尔夫特理工大学就已经制成了世界上第一个碳晶体管，但是后来因为材料问题，而没有继续研究。碳纳米管是呈六边形排列的圆管，具有超高的电子迁移率和稳定性，用碳管排列形成的芯片比硅晶体管领先5个技术节点。

北大 vs. 麻省理工

在2007年，北京大学彭练矛院士，张志勇教授研究团队就已经开始对碳基芯片的问题开始了研究。十年磨一剑，2017年，他们研制出了5nm的碳纳米管CMOS器件，这是当时世界上最小的高性能晶体管，性能超过硅基芯片10倍。研究成果发表在《Nature》上。

彭练矛院士

而要实现大规模商用，做成真正的碳基芯片，需要在晶圆上制备大面积、高密度、高纯度的碳晶体管。具体的说，纯度需要超过99.9999%，密度达到100-200每微米。只有到了这一步，才可以谈产业化。

2020年，北大团队终于解决了这一问题。他们不仅做出了超高纯度的碳纳米管，并且在晶圆硅片上，每微米排列了100到200个碳纳米管。文章发表在《Science》上。

为什么造不出国产高端芯片，造一颗芯片有多难，难倒了亿万国人？

芯片设计制造关乎国家科学、军事、工业现代化进程，关乎国家强大与国民安康。国家应重视和扶持组建国家级科研队伍，奋起直追。借鉴日本和美国的经验，由国家主导，成立一至两家成规模的半导体研发公司，引导国内众多企业参与，防止小规模，低效益的混战，加大

而在美国麻省理工学院(MIT)，以助理教授Shulaker的团队为首，也在对碳基芯片开展研究。2019年，他们团队开发出了全球第一个碳纳米管芯片RV16XNano，这是一个16位微处理器，包含了14000多个碳纳米管，并且成功执行了一段程序, 输出了“Hello world!”。他们也改进出了制作碳纳米管的工业技术，使得大规模商业化制作成为可能。

Shulaker

碳纳米管芯片RV16XNano

北大和MIT，技术上北大还更为先进，但是MIT研究小组不仅有着美国国防部和空军实验室的支持，更有着实实在在的半导体公司加入，MIT研究小组的实验都是在工业流水线上完成的。企业的深度参与，可能会在未来起到关键性的作用。

能够弯道超车吗?

目前来看，中国在碳基芯片上有着技术优势，但碳基芯片的出现，能够帮助我们中国弯道超车么？

完整的芯片制作需要设计、制造、封装测试，这里面有上千个步骤。我们的芯片设计能力很强，但是芯片设计的EDA软件都被美国Cadence、Synopsys和西门子旗下Mentor Graphics三家公司垄断。目前，这些软件公司都已经对华为断供。

设计软件

第二是制造方面。就算是碳基芯片，还需要各种电极，来组装成为一个集成电路，这还是需要用到光刻机和电子束刻蚀来铺设。而我国的光刻机想必大家也都很清楚，落后的太多了。

因此从目前看，要想靠碳基芯片弯道超车，还是不太现实的。但碳基芯片将是我们超车制胜的利器！

就像毛主席说的，“一万年太久，只争朝夕”。中国芯片，加油！

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