中科院專家預計，十五年之後碳基晶片有望成為晶片行業主流技術。
作者 | 姚勇喆
編輯 | 包永剛
早在網際網路混沌初開之時便已經誕生的摩爾定律，近年來逐漸開始失效。自晶片制程工藝進入7nm時代以來，制程紅利日漸消失，技術發展的成本被不斷堆高。這使得包括英特爾在内的部分廠商在制程工藝上的發展日漸受阻。
摩爾定律的逐漸失效是因為在現有的晶片制造技術下半導體都處在一個平面上，其數量不可能無限增長下去。理論上，晶片的極限制程大約為2nm，現在的晶片制造技術已經在逼近這個極限。雖然IBM等廠商在嘗試3D晶片封裝工藝以延續摩爾定律，但在3D堆疊上仍然還存在一些技術問題。
另一方面，目前大陸的晶片制造行業在技術上落後于世界，較世界先進水準仍有距離。特别是先進制程工藝晶片的制造在國内仍屬空白，這使得大陸一些高精尖領域對晶片的需求完全依賴進口。根據統計，2020年大陸在伺服器和計算機中的CPU國産市占率僅為不到0.5%，國産晶片在高性能計算市場中幾乎沒有存在感。
如今，以中芯國際為代表的中國晶片代工廠商雖然正在迎頭趕上，但要跨越發達國家在晶片領域用幾十年時間累積的技術護城河，需要新的機遇。基于納米碳材料半導體的碳基晶片技術，也許就是未來國産晶片實作趕超的機會。
在晶片行業整體呼喚變革的當下，或許對大陸來說這條路上存在新的可能。
替代矽基的次世代技術——碳基晶片
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目前，由于矽基晶片的發展已經逼近極限，各大晶片廠商紛紛尋找晶片行業在未來新的發展方向，碳基晶片就是這其中一顆閃亮的新星。
碳基晶片即基于納米碳材料半導體制造的晶片，碳基晶片已經被國内外衆多學者和知名晶片制造企業認為是最可能代替矽基晶片的次時代技術。
由于石墨烯和納米碳管特殊的幾何結構，電子在這些材料中的傳輸速度大大超出了目前的矽基材料。同時，納米碳結構中沒有金屬中那種可以導緻原子運動的低能缺陷或位錯，使得其能夠承受的電流強度遠遠高出目前內建電路中銅互連能承受的電流上限。
這些性質使得納米碳成為了最理想的納米尺度的導電材料。
用納米碳作為材料制造的半導體，在實驗室環境下，其功耗表現優于矽半導體5倍；碳基內建電路的功耗綜合表現優于目前技術50倍。
此外，納米碳材料加工溫度低，工作功耗低的特點，使得其易于三維異構內建，能夠克服三維內建電路面臨的技術問題。理論上，采用納米碳材料的三維內建電路與矽基三維內建電路相比功耗具有1000倍的綜合優勢。
對于大陸在晶片領域技術落後的現狀，碳基晶片的制造還具有成本低，門檻低的優點。
碳基晶片的材料決定了采用在晶片制造領域中相對簡單的平面器件工藝，就可以實作5nm制程。另外，碳基晶片的制造仍然可以沿用目前的矽基晶片制造裝置，且在裝置比目前先進制程工藝裝置落後三代的情況下，仍然可以使得晶片性能與目前先進矽基晶片相當，這使得大陸晶片制造行業在新賽道上突破“卡脖子”成為可能。
要想實作碳基晶片的量産，高品質的碳半導體制備技術至關重要。根據IBM沃森研究中心對碳納米管內建電路的規劃，理想的碳納米管材料應為定向排列的碳納米管陣列，最佳間距為5-10nm，即碳管排列密度為100~200根/μm。此外，納米碳管半導體純度必須大于99.9999%，該純度也被成為“六個九水準”。
目前，國内外對制備高半導體純度碳納米管已經有了一定的研究。2013年IBM的Cao等人制出了半導體純度達到99%的碳納米管，但該方法制備出的碳納米管密度将會達到500根/μm，碳納米管的純度和密度都不滿足生産所需。
2016年，北京大學的彭練矛研究組發現了一種“蒸發誘導自組裝”的方法可以在微米尺度上排列碳納米管。随後，該課題組在2020年通過“次元限制自組裝”和“DNA限制自組裝”的方法制備得到了半導體濃度符合“六個九水準”，密度保持在100~200根/μm的碳納米管，這标志着大陸碳納米管的制備工藝已經達到了碳基晶片所需的技術奇點。
而對于碳基內建電路的探索，全世界目前都尚處在起步階段。自2013年斯坦福大學開發出首台完全使用碳納米管打造并能夠成功運作簡單程式的電腦以來，對該領域的探索就從未止步。2020年，大陸彭練矛-張志勇團隊最新成果中碳基內建電路速度達到了8.06GHz，處于世界一流水準。
總的來看，矽基晶片的發展總有盡頭，而碳基晶片目前看來最可能是矽基晶片在未來的接棒人。目前，大陸在碳基晶片上的理論和實踐積累都處于世界前列，碳基晶片或許将會成為大陸晶片行業突破技術護城河，走向世界的關鍵。
打破先進光刻機封鎖，國産“芯”彎道超車的機會
對于這條晶片領域的新賽道，大陸各界都相當關注。
從技術角度來講，大陸目前在晶片領域最受擎肘的并不是設計環節，而是其制造環節。台積電和三星擁有着目前最先進的5nm晶片制程工藝，而他們技術的共同點，就是使用了來自荷蘭ASML公司的EUV光刻機。
一般來講，主流光刻機技術分為DUV和EUV技術，前者意為“深紫外線”，而後者則為“極深紫外線”。DUV光刻機可以做到25nm制程，Intel憑借雙工作台模式使其能夠達到10nm制程工藝。但10nm以下的制程工藝，目前隻有EUV光刻機才能做到。由于西方國家封鎖，大陸晶片制造企業目前無法購買到EUV光刻機進行先進制程工藝晶片的制備。
但DUV光刻機完全可以滿足制備5nm碳基晶片所需的工藝要求。這預示着未來也許我們可以在不依賴進口光刻機的前提下發展先進制程晶片制造技術。這實際上給予了大陸晶片行業彎道超車的機會。
在2021年IMEC（歐洲微電子研究中心）的公開會議上，與會者提出了四種延續摩爾定律、打破2納米矽基晶片實體極限的方法。在這四種方法中，碳基晶片的發展方案得到了專家組的一緻認可。專家們一緻認為，碳基晶片将是矽基晶片後，新一代主流晶片技術。
大陸碳基晶片領軍人物彭練矛院士在接受人民網采訪時也曾表露，他認為碳基晶片是智慧城市運作發展的最佳選擇。彭院士還預言：“十五年之後碳基晶片有望成為晶片行業主流技術。”
目前，碳基晶片還處在實驗室研究的初級階段，量産之路仍然“路漫漫其修遠兮”。根據初步估算，要想真正完成碳基晶片從實驗室到辦公室的飛躍，至少需要確定十年以上的持續資金投入，碳基材料研究投入需要幾十億元。但由于投資回報前景不明朗，市場投資者興趣缺缺。在這種情況下，政府的投入和支援顯得尤為重要。
根據新華網消息，碳基材料将被納入“十四五”原材料工業相關發展規劃中。
另外根據彭博社報道， 2021年大陸有一項發展碳基晶片以幫助中國晶片制造商克服美國制裁的計劃。這足見國家政策上對碳基晶片的支援和對其未來的期望。
在可以想見的未來裡，或許國産晶片真的能擎起這杆叫做碳基晶片的槳，在新時代裡駛向大海彼岸的遠方。