什么是碳基芯片？“碳基芯片”会取代硅基芯片吗？

1. 什么是碳基芯片？“碳基芯片”会取代硅基芯片吗？

碳基芯片一般来说就是以碳基材料制作的碳纳米晶体管芯片。相比于传统的硅材料芯片，碳材料的电子特性似乎更加优越，而且随着硅材料芯片的极限制程即将面临瓶颈，在材料、技术和设计等方面都会出现物理限制，制造微小芯片的工艺难度也会增大，想要更加深入发展和研发芯片，寻找新的材料似乎已经是必需的，这时候特性优越的碳基材料会是一种非常不错的选择。关于碳基芯片的消息也一直广为流传，也被很多人认为以后很可能会取代硅芯片，就让我们拭目以待吧。尽管最近这些年我国的科技发展水平已经得到很大提高，特别是在半导体行业中取得了不少进步和突破，不过距离欧美发达国家仍然有不小差距，特别是在半导体领域，一些关键的核心领先技术依然掌握在欧美国家手中，这对于我们来说，发展半导体技术任重而道远。美国之所以能够对华为的不断打压限制，就是因为他们站在技术高点，这对于我们的科技发展造成了很大的阻碍，想要完成突破和封锁就只能迎难而上。如今我国的半导体制造行业正面临着被“卡脖子”的状况，我国在半导体材料、设计到生产的这一全产业链中缺乏核心技术以及较好的研发能力，很长时间以来都只能购买欧美的芯片。虽然这些年来我们已经很努力地去追赶，但是国内的半导体设计和制造工艺还未能达到先进水平，只能去买别人的东西，而且连最先进的光刻机我们想买都买不到。这样受制于人的情况，长期下去对我们是很不利的，别人一旦封锁和限制，我们就会举步维艰，就会阻碍我国实现现代化进程，提升自研芯片的技术水平势在必行。如今随着我国科学家在碳基芯片领域的不断摸索，已经是取得了一定的进展和突破，而且据说碳基芯片的性能会比硅基芯片性能要更加突出，这对于陷入困难局面的我国芯片行业来说是个好消息，如果能够在碳基领域得到发展和领先，或许可以对欧美半导体技术实现弯道超车，摆脱对于别人的技术依赖。不过想要用碳基芯片取代硅基芯片也还没有那么容易，虽然现在能够在实验室中制造出碳晶体管，但是想要拼接组合形成芯片量产还需要做大量的研制，将碳晶体管排布在晶圆片同样需要高精尖的技术才行，很多技术障碍仍然需要去攻克，因此想要完成商业化量产，还需要更多耐心和努力。不过相信我们的科学家，一定可以在未来完成更多的突破。

2. 碳基芯片是什么？碳基芯片的性能是硅基芯片的多少倍？

碳基芯片就是石墨烯芯片，碳基芯片的制作工艺而碳基半导体芯片用到的是碳纳米管或石墨烯，碳纳米管和石墨烯的制备过程跟硅基晶体管的制备方法有着本质的差别，两者的主要原料是石墨，目前生产工艺可以通过电弧放电法、激光烧蚀法等多种方式制成。所以碳基芯片电路的加工一定不会用到光刻机。碳基芯片的性能将是普通芯片的10倍以上。众所周知我国的芯片技术是落后于国外的芯片技术，我国的电子控制核心得芯片大部分都需要进口，电子行业的现状就是，最好的芯片在美国，其次是日本，欧洲，再次是韩国，差一点的是台湾。什么华润，中芯之类的，人家是帮国外低端芯片作代工的。当然，在批发市场那些廉价的，用几个月就坏的小玩具或者遥控器里面，是有国产的芯片。不得不说我国的芯片技术还有很大一个提升空间。现在，我国在碳基芯片上取得了不小的成果，碳基芯片区别于传统硅基芯片，碳基芯片从一种高级的纳米工业技术中产生。碳基芯片和硅基芯片相比，性能或将提升 10 倍，据研究表明，同等工艺制造当中，碳基芯片表现出的优势要远远强于硅基芯片。碳基芯片的延展性非常强，它可以做到普通芯片难以做到的事，比如可以用于一些折叠设备，而且重要的一点是，碳基芯片不需要光刻机也能完成制造，而且碳基芯片的用处可用于更加广泛的领域当中。我国的芯片技术虽然落后于西方，但是在我们不断的努力和坚持下，我们也研发了了碳基芯片，国外对于碳基芯片还没有一丝的进展，对于碳领域上，我国已经领先于西方国家，而且碳基芯片可能超过他们。希望我国的技术越来越发达，争取超越西方国家，打击他们嚣张的气焰。

3. 碳基芯片是什么？碳基芯片的性能是硅基芯片的多少倍？

碳基芯片是以碳纳米管、碳化硅石墨烯等材料为核心的碳基芯片，碳基芯片的性能可能是硅基芯片10倍以上。
碳基芯片区别于传统硅基芯片，碳基芯片从一种高级的纳米工业技术中产生。碳基芯片和硅基芯片相比，性能或将提升 10 倍，据研究表明，同等工艺制造当中，碳基芯片表现出的优势要远远强于硅基芯片。

碳基芯片的延展性非常强，它可以做到普通芯片难以做到的事，比如可以用于一些折叠设备，而且重要的一点是，碳基芯片不需要光刻机也能完成制造，而且碳基芯片的用处可用于更加广泛的领域当中。

4. 北大突破碳基芯片量产的关键技术

但是不知道你有没有想过，在 科技 领域除了“追赶”之外，其实还有另外一种超越模式，那就是所谓的“换道超车”。我为你推荐的这一项进展，就来自于芯片领域最有可能换道超车的一个赛道。而且在这条赛道上，中国的科学家走在了世界第一梯队。
  
 5月22号，《科学》杂志发表了一篇来自北京大学的研究进展，北大的张志勇-彭练矛教授课题组制备出了一种高密度、高纯度的半导体碳纳米管阵列。并且以此为基础，首次制作出了性能超越同等条件下传统硅芯片的碳纳米管器件。这一项成果，预示着用碳材料取代现有的硅材料，来制作下一代芯片的技术思路，距离实用化又近了一大步。
  
 上面这段描述，有很多专业名词。不熟悉芯片技术的读者，听了之后可能有点迷糊。因此，我想带你站在芯片发展的 历史 ，来看一下这项研究背后的来龙去脉。
  
 你很自然地就会有一个疑问——为什么今天一部分科学家迫不及待地想要抛弃硅材料呢？要知道用硅来制作芯片已经半个多世纪了，就连芯片的诞生地都被叫做硅谷。
  
 这背后的原因，我们其实此前也反复讲过，就是摩尔定律。摩尔定律的表达方式很多，简单来说就是，根据产业经验，芯片的性能每12-18个月就要翻一倍。虽然这只是一条产业经验，不是什么科学原则，但是从1965年被提出以来，就一直在指导芯片的发展。
  
 在这半个多世纪的时间里，延续摩尔定律最主要的手段之一，就是把芯片里面最基础组成的单元——也就是硅片上的晶体管越做越小。所以你听到的所谓22nm、14nm、10nm、7nm这些芯片，里面这个多少纳米指的就是芯片里面以硅材料为基础的晶体管的大小。
  
 但是话又说回来，摩尔定律毕竟不是一条科学法则，把硅片上的晶体管越做越小是会遇到物理极限的。这个极限尺度具体是多少，产业界其实也一直在摸索。最近我刚好请教过一些业内资深的工程师，目前他们感觉硅材料芯片的极限制程差不多是在2nm到1.5nm。
  
 在这个极限尺度之后，通过缩小晶体管来延续摩尔定律的思路，就不行了。至于硅晶体管为什么不能更小的原因，简单来说，就是因为硅的一些特性，如果晶体管太小，出故障的概率就会急剧升高，把芯片里面上百亿个晶体管协调起来一起工作就非常困难。
  
 那既然把晶体管变小的这个思路不能用了，可是祖师爷的摩尔定律又不能丢，怎么办呢？如何延续摩尔定律，可以说是当今芯片产业的天字第一号问题。怎么解决这个问题，如今呢就有很多流派。其中很重要的一个流派，就是说我们干脆换个材料吧，不要再用硅做晶体管了，用碳材料。
  
 为什么这些科学家认为可以用碳元素呢？其实啊，这跟碳元素本身很多优质的特性有关。比如，用碳纳米管做的晶体管，它的电子迁移率可以是硅的1000倍，通俗来说就是碳材料里面电子的群众基础更好。再比如，碳纳米管里面的电子自由程特别长，通俗的理解就是电子的活动更自由，不容易摩擦发热。
  
 由于这些底层的优点，用碳来做晶体管，甚至不用像硅晶体管那么小，就可以取得同等水平的性能。比如美国国防部2018年支持的一项研究，就希望用90nm规格的碳芯片，实现7nm规格的硅芯片同等的性能。
  
 这里再补充一句，即便是用碳来做芯片，也是有很多思路的。不过坦率地说，这些思路大部分还都处在 探索 阶段。而最接近实用化的，就是北京大学这项研究中涉及的碳纳米管芯片这个领域。
  
 早在2013年，美国斯坦福大学就制造出了第一台碳纳米管计算机；而到了2019年8月，美国麻省理工学院发布了全球第一款碳纳米管通用计算芯片，里面包含14000个晶体管。《自然》杂志当时连发三篇文章推荐这项成果，可见当时的轰动性。
  
 不过你可能也听出来了，即便是去年麻省理工学院发表的这项轰动性的研究，也只包含14000个碳晶体管。这比起现在手机芯片里面动不动就上百亿个晶体管的规模，还差着很远——究竟是哪出了问题呢？
  
 这里面的症结，就在制造工艺四个字上。要想制造出性能比肩商用器件的碳纳米管芯片，一个重要的前提就是你得能制造出，高纯度、高密度、排列整齐的碳纳米管阵列。
  
 一旦碳纳米管阵列的纯度、密度不够高，或者排列不整齐，就很难可靠地制造出上亿个晶体管这种规模的商用芯片，因为保不齐哪个晶体管就会出现故障。麻省理工在2019年发布的这项研究，所用到碳纳米管阵列的纯度只有四个九，也就是99.99%。而人们猜测这个纯度至少应该在六到八个九的时候，才能够让碳纳米管芯片的性能比肩传统芯片。
  
 讲了这么半天，就要说到北京大学上个月的这项研究了。北大张志勇-彭练矛教授的科研团队，通过独创的制备工艺，在4英寸的基底上，制备出密度为120/μm、纯度高达六个九，也就是99.9999%的碳纳米管阵列。在密度和纯度这两个重要的指标上，比过去的类似的研究高出了1-2个量级。
  
 并且基于这种高品质的碳管阵列，研究人员还批量制作出了相应的晶体管和环形振荡器来验证这种新工艺的批量生产潜力。实验发现，这些晶体管和环形震荡器的性能，首次超过了同等尺寸下的传统硅芯片里面的器件，证明了碳芯片确实有可能比硅芯片更强。
  
 碳纳米管芯片一旦在未来走向产业应用，由于在功耗和性能上的优势，很有可能应用在手机和5G基站这样的场景中。甚至在人体内部、国土边疆，还有太空这样对于能耗要求比较苛刻的场景，也有广泛的应用潜力。比如，芯片的能耗如果能够继续下降两个量级，就可以利用像是人的体液、体温这类非常细微的能量来源进行供电，使用的场景会比现在的消费电子产品更加广阔。
  
 特别值得一提的是，这项研究的通讯作者彭练矛院士，在碳基纳电子领域深耕将近20年。他为我国保留了在芯片领域碳纳米管芯片这条赛道上，换道超车的可能性。这也是我在本月为你推荐这项进展的原因。
  
 本月的硬 科技 报告就到这里，我们下一期再见！

5. 科学家攻克难题，硅基材料迎来技术突破，1nm芯片有望成为现实

如今，摩尔定律已在失效的边缘，集成电路中可容纳的晶体管数目已到极限。虽然台积电、三星仍在推进3nm，乃至2nm制程，但接下来的研发无疑愈发艰难，成本也会更高。
  
 目前，制造晶体管的主要材料为三维硅材料，但已经走到硅基材料的极限。
     
 如今，5nm工艺晶体管密度高达1.713亿个/平方毫米。基于该工艺而成的苹果A14芯片，共集成了118亿晶体管，然而新工艺却让A14的性能提升十分有限。
  
 
  
  
 而且，专业机构ICmasters指出，苹果A14芯片的晶体管密度与此前台积电宣称数额相差巨大，质疑台积电5nm工艺虚标。
  
 
  
  
 而基于三星5nm工艺的骁龙888，也被曝光功耗翻车。如此看来，芯片制程向前推进已经十分艰难。
     
 硅基芯片的未来方向，成为了业界热议的话题。为此，不少业界人士选择从半导体材料入手，攻克这一难题。
  
 日前，美国宾夕法尼亚大学科学家便在半导体材料上，实现突破。
  
 
  
  
 快 科技 报道，在《自然-通讯》杂志上，美国科学家表示其成功研制一种超薄二维材料晶体管，为突破摩尔定律带来了希望。
     
 据了解，该二维材料产生的厚度比当前的三维材料薄10倍。这表示，芯片中可容纳的晶体管数量更多，想要存储与处理更多的数据，便需要更多的晶体管。
  
 
  
  
 实验中，科学家利用来自宾夕法尼亚大学的二维晶体联盟NSF材料创新平台的，金属-有机化学相沉积技术，生长了单层二硫化钼与二硫化钨。
  
 
  
  
 而且，科学家对阈值电压、场效应载流子迁移率、接触电阻等多项指标进行了统计与分析，证明了新二维晶体管的性能。
     
 宾夕法尼亚大学助理教授普塔什达斯表示，这一系列测试印证了新晶体管的可行性，表示新晶体管能让下一代芯片更快、更节能，且承载更多存储和数据处理性能。
  
 
  
  
 这一新晶体管的发现，预示着1nm工艺或许能更快到来，带来更强悍的性能。
  
 目前摩尔定律即将终结，在后摩尔时代，一场新的变革正在酝酿之中，或许将掀起一场半导体行业的大洗牌。
     
 先进封装、碳基材料等，都被看作未来的发展方向，带来了新的机遇与挑战。
  
 
  
  
 目前，我国半导体产业落后，这对我国来说或许是一次超车的机会，我国能否抓住这一机遇，就让我们拭目以待。

6. 北大突破碳基芯片量产的关键技术

我为你推荐的第二项硬 科技 进展，来自我们最近都很关注的中国芯片领域。谈起芯片，给我们的印象往往是两个字——那就是“追赶”。也就是说，我们在芯片这条赛道上一直在努力缩小跟世界第一梯队的距离。
  
 但是不知道你有没有想过，在 科技 领域除了“追赶”之外，其实还有另外一种超越模式，那就是所谓的“换道超车”。我为你推荐的这一项进展，就来自于芯片领域最有可能换道超车的一个赛道。而且在这条赛道上，中国的科学家走在了世界第一梯队。
  
 5月22号，《科学》杂志发表了一篇来自北京大学的研究进展，北大的张志勇-彭练矛教授课题组制备出了一种高密度、高纯度的半导体碳纳米管阵列。并且以此为基础，首次制作出了性能超越同等条件下传统硅芯片的碳纳米管器件。这一项成果，预示着用碳材料取代现有的硅材料，来制作下一代芯片的技术思路，距离实用化又近了一大步。
  
 上面这段描述，有很多专业名词。不熟悉芯片技术的读者，听了之后可能有点迷糊。因此，我想带你站在芯片发展的 历史 ，来看一下这项研究背后的来龙去脉。
  
 你很自然地就会有一个疑问——为什么今天一部分科学家迫不及待地想要抛弃硅材料呢？要知道用硅来制作芯片已经半个多世纪了，就连芯片的诞生地都被叫做硅谷。
  
 这背后的原因，我们其实此前也反复讲过，就是摩尔定律。摩尔定律的表达方式很多，简单来说就是，根据产业经验，芯片的性能每12-18个月就要翻一倍。虽然这只是一条产业经验，不是什么科学原则，但是从1965年被提出以来，就一直在指导芯片的发展。
  
 在这半个多世纪的时间里，延续摩尔定律最主要的手段之一，就是把芯片里面最基础组成的单元——也就是硅片上的晶体管越做越小。所以你听到的所谓22nm、14nm、10nm、7nm这些芯片，里面这个多少纳米指的就是芯片里面以硅材料为基础的晶体管的大小。
  
 但是话又说回来，摩尔定律毕竟不是一条科学法则，把硅片上的晶体管越做越小是会遇到物理极限的。这个极限尺度具体是多少，产业界其实也一直在摸索。最近我刚好请教过一些业内资深的工程师，目前他们感觉硅材料芯片的极限制程差不多是在2nm到1.5nm。
  
 在这个极限尺度之后，通过缩小晶体管来延续摩尔定律的思路，就不行了。至于硅晶体管为什么不能更小的原因，简单来说，就是因为硅的一些特性，如果晶体管太小，出故障的概率就会急剧升高，把芯片里面上百亿个晶体管协调起来一起工作就非常困难。
  
 那既然把晶体管变小的这个思路不能用了，可是祖师爷的摩尔定律又不能丢，怎么办呢？如何延续摩尔定律，可以说是当今芯片产业的天字第一号问题。怎么解决这个问题，如今呢就有很多流派。其中很重要的一个流派，就是说我们干脆换个材料吧，不要再用硅做晶体管了，用碳材料。
  
 为什么这些科学家认为可以用碳元素呢？其实啊，这跟碳元素本身很多优质的特性有关。比如，用碳纳米管做的晶体管，它的电子迁移率可以是硅的1000倍，通俗来说就是碳材料里面电子的群众基础更好。再比如，碳纳米管里面的电子自由程特别长，通俗的理解就是电子的活动更自由，不容易摩擦发热。
  
 由于这些底层的优点，用碳来做晶体管，甚至不用像硅晶体管那么小，就可以取得同等水平的性能。比如美国国防部2018年支持的一项研究，就希望用90nm规格的碳芯片，实现7nm规格的硅芯片同等的性能。
  
 这里再补充一句，即便是用碳来做芯片，也是有很多思路的。不过坦率地说，这些思路大部分还都处在 探索 阶段。而最接近实用化的，就是北京大学这项研究中涉及的碳纳米管芯片这个领域。
  
 早在2013年，美国斯坦福大学就制造出了第一台碳纳米管计算机；而到了2019年8月，美国麻省理工学院发布了全球第一款碳纳米管通用计算芯片，里面包含14000个晶体管。《自然》杂志当时连发三篇文章推荐这项成果，可见当时的轰动性。
  
 不过你可能也听出来了，即便是去年麻省理工学院发表的这项轰动性的研究，也只包含14000个碳晶体管。这比起现在手机芯片里面动不动就上百亿个晶体管的规模，还差着很远——究竟是哪出了问题呢？
  
 这里面的症结，就在制造工艺四个字上。要想制造出性能比肩商用器件的碳纳米管芯片，一个重要的前提就是你得能制造出，高纯度、高密度、排列整齐的碳纳米管阵列。
  
 一旦碳纳米管阵列的纯度、密度不够高，或者排列不整齐，就很难可靠地制造出上亿个晶体管这种规模的商用芯片，因为保不齐哪个晶体管就会出现故障。麻省理工在2019年发布的这项研究，所用到碳纳米管阵列的纯度只有四个九，也就是99.99%。而人们猜测这个纯度至少应该在六到八个九的时候，才能够让碳纳米管芯片的性能比肩传统芯片。
  
 讲了这么半天，就要说到北京大学上个月的这项研究了。北大张志勇-彭练矛教授的科研团队，通过独创的制备工艺，在4英寸的基底上，制备出密度为120/μm、纯度高达六个九，也就是99.9999%的碳纳米管阵列。在密度和纯度这两个重要的指标上，比过去的类似的研究高出了1-2个量级。
  
 并且基于这种高品质的碳管阵列，研究人员还批量制作出了相应的晶体管和环形振荡器来验证这种新工艺的批量生产潜力。实验发现，这些晶体管和环形震荡器的性能，首次超过了同等尺寸下的传统硅芯片里面的器件，证明了碳芯片确实有可能比硅芯片更强。
  
 碳纳米管芯片一旦在未来走向产业应用，由于在功耗和性能上的优势，很有可能应用在手机和5G基站这样的场景中。甚至在人体内部、国土边疆，还有太空这样对于能耗要求比较苛刻的场景，也有广泛的应用潜力。比如，芯片的能耗如果能够继续下降两个量级，就可以利用像是人的体液、体温这类非常细微的能量来源进行供电，使用的场景会比现在的消费电子产品更加广阔。
  
 特别值得一提的是，这项研究的通讯作者彭练矛院士，在碳基纳电子领域深耕将近20年。他为我国保留了在芯片领域碳纳米管芯片这条赛道上，换道超车的可能性。这也是我在本月为你推荐这项进展的原因。
  
 本月的硬 科技 报告就到这里，我们下一期再见！

7. “碳基芯片”是什么？

8. 中企攻克芯片“新材料”，或能取代硅基芯片

芯片早已经成为日常生活中不可替代的产品，任何的电子设备都会用上芯片。全球每年对芯片的需求都在几亿，几十亿颗以上。不过传统的芯片工艺几乎都是一致的，基于硅基材料生产芯片。 
     
  芯片的基础材料是硅，而硅的来源是在一堆沙子中不断提取纯度为99.99999%的硅。再将硅打磨成硅片，制成晶圆，最终经过上千道的工序形成芯片。而这一切的基础都是硅，因此市面上的芯片也被统称为硅基芯片。 
     
  然而硅基芯片也面临一个问题，那就是物理极限的限制。 
  
  随着芯片制程的不断突破，已经在向4nm，3nm甚至更先进的1nm发起 探索 ，但物理极限终会成为一道束缚。到时候硅基芯片到达尽头，可能人类 科技 也会陷入迟缓。 
  
  因此探究新工艺，新材料成为备受瞩目的热门话题。但真的有可能在硅基芯片之外取得新材料的突破吗？答案是有可能。 
     
  一则好消息传来，中国企业英诺赛科（苏州）半导体有限公司实现巨大突破，在硅基氮化镓材料上完成量产。英诺赛科已经建立起8英寸硅基氮化镓量产生产线，这也意味着不仅取得了新材料的攻克，而且进入到了量产阶段。 
     
  根据资料显示，硅基氮化镓芯片量产生产线建成之后，可实现年产值100亿，年产能也可以达到78万片硅基氮化镓芯片晶圆。 
  
  这是世界上首座氮化镓芯片量产项目，在中企的攻克下，对国产芯片的发展都会带来巨大的意义。 
  
  现如今业内正不断 探索 传统硅基芯片之外的新材料，新工艺。此前中科院研究的8英寸石墨烯晶圆就在半导体领域取得了显著进步，由于未实现量产，因此石墨烯制成的碳基芯片还处在研究阶段。 
     
  但氮化镓芯片则不同，英诺赛科已经立项建设生产线，将氮化镓推广量产。那么氮化镓能取得硅基芯片吗？性能表现又如何呢？ 
  
  氮化镓属于第三代半导体材料，和硅不同的是，氮化镓无法靠自然界形成，必须要靠人工合成。其优势对比硅材料是很明显的，由氮化镓制成的器件，功率是硅的900倍。禁带宽带比硅高出3倍左右。击穿场强也高于硅11倍。 
     
  除此之外，氮化镓还有散热高，体积小，损耗小的优点。如果能够对氮化镓加以开发，取代硅基芯片是没有问题的。充电器，元器件等等部件，都能用上氮化镓。 
  
  硅基芯片统治了芯片界几十年，而研制出硅材料并掌握专利技术的是美国人。所以只要用上硅基芯片，不管有多少技术是自研的，从根源上就很难绕开美国技术。 
     
  并且摩尔定律即将到达极限已经是业内公认的事实，只不过是时间问题。当集成电路可容纳晶体管无法进一步提升时，那么就将迎来后摩尔时代的新挑战。也就是新材料，新工艺。 
  
  有的芯片企业重点研究封装，而有的则在 探索 芯片新材料。而中国要面临的后摩尔时代挑战在于产业链太宽，太长。大而不强是一个需要解决的问题，把产业链提升上去以后，才能顺利迎接挑战。 
     
  同时光刻机、光刻胶、芯片制程工艺等等，都还有很长的路要走。所以总的来说，中企能够攻克新材料，只是做好了迎接挑战的准备，真正的挑战还在后头。 
  
  美国掌握大量的芯片技术，所以2020年对中企实施芯片规则时，几乎没有一家企业能够逾越美国技术向中企攻克。这也让我们意识到，必须从根本上解决技术难题。 
  
  英诺赛科的氮化镓芯片或许只是迈出的第一步，想要改变整个芯片市场格局并非易事。所以期待能有更多的技术取得突破，到时候面对挑战，也能巍然矗立。 
  
  对英诺赛科的新材料突破你有什么看法呢？