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早在互聯網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。自芯片制程工藝進入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內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芯片制造技術下晶體管都處在一個平面上，其數量不可能無限增長下去。理論上，芯片的極限制程大約為2nm，現在的芯片制造工藝已經在逼近這個極限。雖然IBM等廠商在嘗試3D芯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，目前我國的芯片制造行業在技術上落后于世界，較世界先進水平仍有距離。特別是先進制程工藝芯片的制造在國內仍屬空白，這使得我國一些高精尖領域對芯片的需求完全依賴進口。根據統計，2020年我國在服務器和計算機中的CPU國產市占率僅為不到0.5%，國產芯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芯片代工廠商雖然正在迎頭趕上，但要跨越發達國家在芯片領域用幾十年時間累積的技術護城河，需要新的機遇。基于納米碳材料晶體管的碳基芯片技術，也許就是未來國產芯片實現趕超的機會。
在芯片行業整體呼喚變革的當下，或許對我國來說這條路上存在新的可能。
替代硅基的次世代技術——碳基芯片
目前，由于硅基芯片的發展已經逼近極限，各大芯片廠商紛紛尋找芯片行業在未來新的發展方向，碳基芯片就是這其中一顆閃亮的新星。
碳基芯片即基于納米碳材料晶體管制造的芯片，碳基芯片已經被國內外眾多學者和知名芯片制造企業認為是最可能代替硅基芯片的次時代技術。
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硅基材料。同時，納米碳結構中沒有金屬中那種可以導致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集成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晶體管，在實驗室環境下，其功耗表現優于硅晶體管5倍；碳基集成電路的功耗綜合表現優于當前技術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集成，能夠克服三維集成電路面臨的技術問題。理論上，采用納米碳材料的三維集成電路與硅基三維集成電路相比功耗具有1000倍的綜合優勢。
對于我國在芯片領域技術落后的現狀，碳基芯片的制造還具有成本低，門檻低的優點。
碳基芯片的材料決定了采用在芯片制造領域中相對簡單的平面器件工藝，就可以實現5nm制程。另外，碳基芯片的制造仍然可以沿用目前的硅基芯片制造設備，且在設備比目前先進制程工藝設備落后三代的情況下，仍然可以使得芯片性能與目前先進硅基芯片相當，這使得我國芯片制造行業在新賽道上突破“卡脖子”成為可能。
要想實現碳基芯片的量產，高質量的碳晶體管制備技術至關重要。根據IBM沃森研究中心對碳納米管集成電路的規劃，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“六個九水平”。
目前，國內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將會達到500根/μm，碳納米管的純度和密度都不滿足生產所需。
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。隨后，該課題組在2020年通過“維度限制自組裝”和“DNA限制自組裝”的方法制備得到了半導體濃度符合“六個九水平”，密度保持在100~200根/μm的碳納米管，這標志著我國碳納米管的制備工藝已經達到了碳基芯片所需的技術奇點。
而對于碳基集成電路的探索，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臺完全使用碳納米管打造并能夠成功運行簡單程序的電腦以來，對該領域的探索就從未止步。2020年，我國彭練矛-張志勇團隊最新成果中碳基集成電路速度達到了8.06GHz，處于世界一流水平。
總的來看，硅基芯片的發展總有盡頭，而碳基芯片目前看來最可能是硅基芯片在未來的接棒人。目前，我國在碳基芯片上的理論和實踐積累都處于世界前列，碳基芯片或許將會成為我國芯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，國產“芯”彎道超車的機會
對于這條芯片領域的新賽道，我國各界都相當關注。
從技術角度來講，我國目前在芯片領域最受擎肘的并不是設計環節，而是其制造環節。臺積電和三星擁有著目前最先進的5nm芯片制程工藝，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”，而后者則為“極深紫外線”。DUV光刻機可以做到25nm制程，Intel憑借雙工作臺模式使其能夠達到10nm制程工藝。但10nm以下的制程工藝，目前只有EUV光刻機才能做到。由于西方國家封鎖，我國芯片制造企業目前無法購買到EUV光刻機進行先進制程工藝芯片的制備。
但DUV光刻機完全可以滿足制備5nm碳基芯片所需的工藝要求。這預示著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芯片制造技術。這實際上給予了我國芯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納米硅基芯片物理極限的方法。在這四種方法中，碳基芯片的發展方案得到了專家組的一致認可。專家們一致認為，碳基芯片將是硅基芯片后，新一代主流芯片技術。
我國碳基芯片領軍人物彭練矛院士在接受人民網采訪時也曾表露，他認為碳基芯片是智慧城市運行發展的最佳選擇。彭院士還預言：“十五年之后碳基芯片有望成為芯片行業主流技術。”
目前，碳基芯片還處在實驗室研究的初級階段，量產之路仍然“路漫漫其修遠兮”。根據初步估算，要想真正完成碳基芯片從實驗室到辦公室的飛躍，至少需要確保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，政府的投入和支持顯得尤為重要。
根據新華網消息，碳基材料將被納入“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年我國有一項發展碳基芯片以幫助中國芯片制造商克服美國制裁的計劃。這足見國家政策上對碳基芯片的支持和對其未來的期望。
在可以想見的未來里，或許國產芯片真的能擎起這桿叫做碳基芯片的槳，在新時代里駛向大海彼岸的遠方。雷峰網(公眾號：雷峰網)雷峰網雷峰網
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