中國的碳基晶片漸占優勢

按照科學家的預計，矽基晶片的實體極限在1nm。而按照晶圓廠們的工藝演進，3nm後的工藝是2nm，再之後的工藝是1.4nm。因為矽基材料所限，矽基晶片性能的缺陷會變得愈發明顯，無法再往1nm以下推進。比如：

• 在工藝方面，矽基晶片出現了量子隧穿效應、原子摻雜漲落、功耗牆等現象。
• 在架構方面，出現了馮諾依曼架構的記憶體牆現象。
• 在半導體原理方面，也出現了亞門檻值擺幅的玻爾茲曼極限與工作電壓的縮減極限。

是以，尋找能夠替代矽基晶片的材料成為熱門話題，碳基晶片也開始頻繁出現在公衆的視野。

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碳基晶片的三大明顯優勢

第一，碳基晶片有着更低的極限、更優的性能和更低的功耗，更适合未來科技的高速發展。碳基晶片由碳基晶圓打造而來，碳基晶圓的基礎則是石墨烯半導體材料。由于石墨烯具有載流子遷移率高和熱導率好等優良特性，使得石墨烯半導體運轉速度比矽基半導體快5~10倍，而功耗卻是矽基半導體的1/10。給碳基晶片提供了更低的極限、更優的性能和更低的功耗。

第二，碳基晶片對于光刻機的制程工藝要求并不高。采用90nm工藝的碳基晶片有望制備出性能和內建度相當于28nm技術節點的矽基晶片，采用28nm工藝的碳基晶片則可以實作等同于7nm技術節點的矽基晶片。也就是說采用28nm的光刻機，就能獲得全球最先進EUV光刻機的效果。

第三，目前國際在該領域的技術幾乎空白。盡早研發可以占據先發優勢。

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碳基晶片的成果

在碳基晶片的研發中，這場科技追逐戰主要在兩個世界頂級名校之間展開——北京大學（聯合中科院）和麻省理工學院。在《自然》、《科學》雜志上出現的多篇碳半導體的論文也多由這二者釋出。

北京大學彭練矛院士表示，與國外矽基晶片相比，中國在處理大規模資料時所采用的國産碳基晶片速度快，功耗低，至少可節省三成。并且目前國内石墨烯晶圓生産技術無論在石墨烯單晶晶圓的尺寸和品質上，均處于國際領先水準。可見，中國在碳基晶片研發中已具有優勢。

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碳基晶片的研發意義非凡

早在2017年，北京大學在5nm栅極碳納米管CMOS器件的工作就證明了碳納米管在達到理論極限時可以克服短溝道效應，這就使其不必使用如矽技術那樣發展更複雜的三維半導體技術，例如FinFET，來降低短溝道效應。另外，碳納米管技術本身是一個低溫技術，可以制備三維的晶片O。此前，斯坦福大學也曾釋出報告稱：如果将碳納米管半導體設計成三維的話，性能可以比二維的矽半導體提升1000倍。

目前晶片絕大部分采用矽基材料的內建電路技術，高端晶片技術被國外廠家長期壟斷，中國每年進口晶片的花費高達3000億美元。加速以晶片為代表的半導體産業發展早已成為國家戰略，但在逆全球化和産業封鎖的大背景下，中國現有的矽基半導體發展舉步維艱，多數集中在低利潤、低附加值的環節。碳基晶片的這一全新路徑給中國制備高端晶片帶來了更多的可能性。

目前，全球半導體大廠的技術仍然堅持在矽晶圓上，英特爾、三星、台積電正把所有的資源投資在5nm，3nm的制造技術上。也就是說，在未來至少5年内，碳基晶片大規模生産不會在這幾個中誕生。那麼，在這一領域成為新興工廠的領頭羊最合适的環境将是在中國。

根據國家知識産權局官方資料，2021年，華為釋出了石墨烯半導體專利，此前還有消息稱華為将與北京大學成立專門的科研團隊緻力于碳基晶片的開發。可見，碳基晶片或許已經成為華為晶片未來的發展方向之一。

然而，目前世界上尚沒有一家公司能夠造出商用的碳基晶片。“碳基晶片”為何沒有像我們預想的那樣如期地進入市場？

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碳基晶片暫時無法取代矽基晶片

碳納米管提純難

對晶片制造來說，碳納米管具備優秀的性能，但真正利用起來并不容易。據悉，碳基晶片的純度至少在6到8個9的時候（99.999999%），才能夠讓碳基晶片的性能比肩傳統矽基晶片。這也是MIT團隊的CPU明明包含1.4萬個碳納米管晶體，性能卻不如北京大學由大概2500個半導體組成的CPU的原因。

對于碳納米管來說，單一的提純方法很難将碳納米管中的雜質完全去除，尤其是單壁碳納米管。碳納米管制備完後常包含大量雜質，其雜質主要包括碳雜質和金屬雜質兩大類。碳納米管中雜質的存在限制了其應用，是以對碳納米管的提純成了目前急需解決的技術難題。

量産困難

除工藝限制外，碳基晶片量産依舊比矽基晶片難很多。一方面世界各國對于石墨烯的研究，還沒有到達讓碳基晶圓批量生産，滿足各大企業需求的地步；另一方面碳基半導體與矽基半導體的相關技術與工藝裝置也存在差異，雖然現有的矽基半導體加工裝置有90%可以直接應用到碳基中，但部分工藝或裝置需要調試，才能适配碳基半導體器件的生産。

量産是決定商業化很重要的前提，沒有大規模的生産，就無法真正地商業化；産量不足，價格就無法降下來。

至于現有産品的量産時間，中國碳基晶片研究人員稱，自2018年，前4英寸碳基晶圓的整條線投入從制備、電路設計、光刻、封裝全線的實驗以來，已經在産品端上出了4英寸5微米栅長的碳基晶圓。這些成果已可以直接跟前端射頻器件廠商牽手。難度相對較低的物聯網碳管晶片，預計未來3至5年内就可能商用。而應用于手機和伺服器上的碳基晶片，則需要更長時間。

産學研融合不易

根據中國的産學研現狀來看，國内公司更願意在研究成果成熟時和高校合作。因為帶有不确定性的合作，短期内很難給公司帶來盈利，長期看又存在一定風險，産業界得不到足夠動力投入資金。而碳基半導體技術從實驗室到産業界，中間還需要進行工程化研究，其中面臨的挑戰包括資金的持續保證、理念的轉變以及與現有産業的相容等。如果産學研不能更好地融合，這些問題隻依靠研究團隊很難解決。

目前，雖然多數國内公司更願意在研究方案成熟時來和高校合作，但處在行業引領地位的華為，會更關注基礎研發，目前已和彭練矛團隊接觸、對接。

總結

伴随着可移動智能裝置、雲存儲和大資料處理的廣泛應用，迅速發展的資訊産業對未來的半導體晶片和資訊處理技術提出了前所未有的要求。為了延續摩爾定律和應對後摩爾定律時代，持續提升晶片性能，需要發展速度更快、能耗更低的新型半導體晶片。

在碳基晶片這條道路上中國逐漸占據了優勢，但是目前研發出的碳基晶片的內建度仍和目前世界上普遍使用的矽基晶片相比還差很遠。目前學校實驗室已可以采用碳納米管材料制備出一些中等規模甚至大規模的內建電路，但是要用它做超大規模內建電路還不行。彭練矛表示，在國家重視且科研經費充足的情況下，預計3—5年後碳基技術能夠在一些特殊領域得到小規模應用；預計10年之後碳基晶片有望随着産品更疊逐漸成為主流晶片技術。

值得注意的是，國内對新概念往往過于狂熱。碳基晶片在衆多領域确實大有潛力，但從發現潛力到産業化，中間需要的是腳踏實地的研究，也需要大衆對新技術研發失敗的包容。不僅僅需要“新”材料，更需要的是“新”的産學研體系，以及更加開放包容的投資環境。