中国的碳基芯片渐占优势

按照科学家的预计，硅基芯片的物理极限在1nm。而按照晶圆厂们的工艺演进，3nm后的工艺是2nm，再之后的工艺是1.4nm。因为硅基材料所限，硅基芯片性能的缺陷会变得愈发明显，无法再往1nm以下推进。比如：

• 在工艺方面，硅基芯片出现了量子隧穿效应、原子掺杂涨落、功耗墙等现象。
• 在架构方面，出现了冯诺依曼架构的内存墙现象。
• 在晶体管原理方面，也出现了亚阈值摆幅的玻尔兹曼极限与工作电压的缩减极限。

因此，寻找能够替代硅基芯片的材料成为热门话题，碳基芯片也开始频繁出现在公众的视野。

01

碳基芯片的三大明显优势

第一，碳基芯片有着更低的极限、更优的性能和更低的功耗，更适合未来科技的高速发展。碳基芯片由碳基晶圆打造而来，碳基晶圆的基础则是石墨烯半导体材料。由于石墨烯具有载流子迁移率高和热导率好等优良特性，使得石墨烯晶体管运转速度比硅基晶体管快5~10倍，而功耗却是硅基晶体管的1/10。给碳基芯片提供了更低的极限、更优的性能和更低的功耗。

第二，碳基芯片对于光刻机的制程工艺要求并不高。采用90nm工艺的碳基芯片有望制备出性能和集成度相当于28nm技术节点的硅基芯片，采用28nm工艺的碳基芯片则可以实现等同于7nm技术节点的硅基芯片。也就是说采用28nm的光刻机，就能获得全球最先进EUV光刻机的效果。

第三，目前国际在该领域的技术几乎空白。尽早研发可以占据先发优势。

02

碳基芯片的成果

在碳基芯片的研发中，这场科技追逐战主要在两个世界顶级名校之间展开——北京大学（联合中科院）和麻省理工学院。在《自然》、《科学》杂志上出现的多篇碳晶体管的论文也多由这二者发布。

北京大学彭练矛院士表示，与国外硅基芯片相比，中国在处理大规模数据时所采用的国产碳基芯片速度快，功耗低，至少可节省三成。并且当前国内石墨烯晶圆生产技术无论在石墨烯单晶晶圆的尺寸和质量上，均处于国际领先水平。可见，中国在碳基芯片研发中已具有优势。

03

碳基芯片的研发意义非凡

早在2017年，北京大学在5nm栅极碳纳米管CMOS器件的工作就证明了碳纳米管在达到理论极限时可以克服短沟道效应，这就使其不必使用如硅技术那样发展更复杂的三维晶体管技术，例如FinFET，来降低短沟道效应。另外，碳纳米管技术本身是一个低温技术，可以制备三维的芯片O。此前，斯坦福大学也曾发布报告称：如果将碳纳米管晶体管设计成三维的话，性能可以比二维的硅晶体管提升1000倍。

目前芯片绝大部分采用硅基材料的集成电路技术，高端芯片技术被国外厂家长期垄断，中国每年进口芯片的花费高达3000亿美元。加速以芯片为代表的半导体产业发展早已成为国家战略，但在逆全球化和产业封锁的大背景下，中国现有的硅基半导体发展举步维艰，多数集中在低利润、低附加值的环节。碳基芯片的这一全新路径给中国制备高端芯片带来了更多的可能性。

目前，全球半导体大厂的技术仍然坚持在硅晶圆上，英特尔、三星、台积电正把所有的资源投资在5nm，3nm的制造技术上。也就是说，在未来至少5年内，碳基芯片大规模生产不会在这几个中诞生。那么，在这一领域成为新兴工厂的领头羊最合适的环境将是在中国。

根据国家知识产权局官方资料，2021年，华为发布了石墨烯晶体管专利，此前还有消息称华为将与北京大学成立专门的科研团队致力于碳基芯片的开发。可见，碳基芯片或许已经成为华为芯片未来的发展方向之一。

然而，目前世界上尚没有一家公司能够造出商用的碳基芯片。“碳基芯片”为何没有像我们预想的那样如期地进入市场？

04

碳基芯片暂时无法取代硅基芯片

碳纳米管提纯难

对芯片制造来说，碳纳米管具备优秀的性能，但真正利用起来并不容易。据悉，碳基芯片的纯度至少在6到8个9的时候（99.999999%），才能够让碳基芯片的性能比肩传统硅基芯片。这也是MIT团队的CPU明明包含1.4万个碳纳米管晶体，性能却不如北京大学由大概2500个晶体管组成的CPU的原因。

对于碳纳米管来说，单一的提纯方法很难将碳纳米管中的杂质完全去除，尤其是单壁碳纳米管。碳纳米管制备完后常包含大量杂质，其杂质主要包括碳杂质和金属杂质两大类。碳纳米管中杂质的存在限制了其应用，因此对碳纳米管的提纯成了目前急需解决的技术难题。

量产困难

除工艺限制外，碳基芯片量产依旧比硅基芯片难很多。一方面世界各国对于石墨烯的研究，还没有到达让碳基晶圆批量生产，满足各大企业需求的地步；另一方面碳基半导体与硅基半导体的相关技术与工艺设备也存在差异，虽然现有的硅基半导体加工设备有90%可以直接应用到碳基中，但部分工艺或设备需要调试，才能适配碳基半导体器件的生产。

量产是决定商业化很重要的前提，没有大规模的生产，就无法真正地商业化；产量不足，价格就无法降下来。

至于现有产品的量产时间，中国碳基芯片研究人员称，自2018年，前4英寸碳基晶圆的整条线投入从制备、电路设计、光刻、封装全线的实验以来，已经在产品端上出了4英寸5微米栅长的碳基晶圆。这些成果已可以直接跟前端射频器件厂商牵手。难度相对较低的物联网碳管芯片，预计未来3至5年内就可能商用。而应用于手机和服务器上的碳基芯片，则需要更长时间。

产学研融合不易

根据中国的产学研现状来看，国内公司更愿意在研究成果成熟时和高校合作。因为带有不确定性的合作，短期内很难给公司带来盈利，长期看又存在一定风险，产业界得不到足够动力投入资金。而碳基半导体技术从实验室到产业界，中间还需要进行工程化研究，其中面临的挑战包括资金的持续保证、理念的转变以及与现有产业的兼容等。如果产学研不能更好地融合，这些问题只依靠研究团队很难解决。

目前，虽然多数国内公司更愿意在研究方案成熟时来和高校合作，但处在行业引领地位的华为，会更关注基础研发，目前已和彭练矛团队接触、对接。

总结

伴随着可移动智能设备、云存储和大数据处理的广泛应用，迅速发展的信息产业对未来的半导体芯片和信息处理技术提出了前所未有的要求。为了延续摩尔定律和应对后摩尔定律时代，持续提升芯片性能，需要发展速度更快、能耗更低的新型半导体芯片。

在碳基芯片这条道路上中国逐渐占据了优势，但是目前研发出的碳基芯片的集成度仍和当前世界上普遍使用的硅基芯片相比还差很远。目前学校实验室已可以采用碳纳米管材料制备出一些中等规模甚至大规模的集成电路，但是要用它做超大规模集成电路还不行。彭练矛表示，在国家重视且科研经费充足的情况下，预计3—5年后碳基技术能够在一些特殊领域得到小规模应用；预计10年之后碳基芯片有望随着产品更迭逐渐成为主流芯片技术。

值得注意的是，国内对新概念往往过于狂热。碳基芯片在众多领域确实大有潜力，但从发现潜力到产业化，中间需要的是脚踏实地的研究，也需要大众对新技术研发失败的包容。不仅仅需要“新”材料，更需要的是“新”的产学研体系，以及更加开放包容的投资环境。