本文转载自雷锋网。如需转载，请在雷锋网官网申请授权。早在互联网乱象之初就诞生的摩尔定律，近年来逐渐开始失效。芯片制程进入7nm时代以来，工艺红利逐渐消失，技术研发成本不断堆积。这使得包括英特尔在内的一些厂商的发展在工艺技术上越来越受阻。摩尔定律的逐渐失效是因为在现有的芯片制造技术下，晶体管都在一个平面上，其数量不可能无限增长。理论上，芯片的极限范围在2nm左右，目前的芯片制造工艺已经接近这个极限。尽管IBM等厂商都在尝试3D芯片封装技术来延续摩尔定律，但3D堆叠在技术上还存在一些问题。另一方面，我国芯片制造业目前在技术上落后于世界，与世界先进水平相比仍有较大差距。尤其是先进工艺技术芯片制造在国内尚属空白，这使得我国部分高新技术领域对芯片的需求完全依赖进口。据统计，2020年我国国产CPU在服务器和计算机中的市场份额将只有不到0.5%，国产芯片在高性能计算市场几乎没有存在感。如今，以中芯国际为代表的中国芯片代工厂虽然迎头赶上，但需要新的机遇来攻克发达国家在芯片领域数十年积累的技术护城河。以纳米碳材料晶体管为基础的碳基芯片技术，或许是未来国产芯片赶超的契机。在芯片行业整体呼唤变革的当下，或许这条道路上为我国带来了新的可能。替代硅基的下一代技术——碳基芯片目前，随着硅基芯片的发展已经接近极限，各大芯片厂商都在寻找未来芯片产业的新发展方向，而碳基芯片基于芯片的芯片就是其中之一。新星。碳基芯片是基于纳米碳材料晶体管的芯片。碳基芯片已被国内外众多学者和知名芯片厂商认为是最有可能取代硅基芯片的下一代技术。由于石墨烯和碳纳米管的特殊几何形状，电子在这些材料中的传输速度比目前的硅基材料快得多。同时，纳米碳结构中不存在可引起原子运动的金属低能缺陷或位错，使其能承受的电流强度远高于集成电路中铜互连所能承受的电流上限.这些特性使纳米碳成为最理想的纳米级导电材料。以纳米碳为材料制成的晶体管，在实验室环境下的功耗性能是硅晶体管的5倍；碳基集成电路的功耗性能是目前技术的50倍。此外，纳米碳材料加工温度低、功耗低，易于三维异质集成，可克服三维集成电路面临的技术难题。理论上，与硅基三维集成电路相比，采用纳米碳材料的三维集成电路在功耗方面具有1000倍的综合优势。考虑到我国在芯片领域的技术落后，碳基芯片的制造还具有成本低、门槛低的优势。碳基芯片的材质决定了5nm工艺在芯片制造领域可以采用相对简单的平面器件工艺来实现。此外，碳基芯片的制造仍然可以使用目前的硅基芯片制造设备，当设备比目前先进的工艺设备落后三代时，仍然可以使芯片性能与目前先进的硅基芯片相当——基于芯片，这使得我国芯片生产制造业在新赛道上突破“卡脖子”成为可能。要实现碳基芯片的量产，高质量的碳晶体管制造技术至关重要。根据IBM沃森研究中心对碳纳米管集成电路的规划，理想的碳纳米管材料应该是碳纳米管定向排列的阵列，最佳间距为5-10nm，即碳纳米管的排列密度为100~200/μm。此外，碳纳米管半导体的纯度必须大于99.9999%，又称“六九级”。目前，国内外对制备高半导体纯度的碳纳米管已有一定的研究。2013年，曹等人。IBM公司生产的碳纳米管半导体纯度为99%，但该方法制备的碳纳米管密度将达到500个/μm，碳纳米管的纯度和密度达不到生产要求。需要。2016年，北京大学彭连茂课题组发现了一种可以在微米尺度上排列碳纳米管的“蒸发诱导自组装”方法。随后，2020年课题组通过“限维自组装”和“DNA限自组装”，这标志着我国碳纳米管的制备工艺已经达到了碳基芯片所需的技术奇点。至于碳基集成电路的探索，国际上还处于起步阶段。自斯坦福大学于2013年研制出第一台完全由碳纳米管构成的计算机并能够成功运行简单的程序以来，对该领域的探索就从未停止过。2020年我国彭连茂-张志勇团队最新成果碳基集成电路速度达到8.06GHz，处于世界一流水平。总的来说，硅基芯片的发展总会有尽头，而碳基芯片目前看来是未来硅基芯片最有可能的接班人。目前，我国在碳基芯片方面的理论和实践积累处于世界前列。碳基芯片或将成为我国芯片产业突破技术护城河、走向世界的关键。打破先进光刻机封锁，国产“芯片”弯道超车的契机。对于这条芯片领域的新赛道，我国各界都非常关注。从技术角度来看，我国目前的芯片领域不是设计过程，而是它的制造过程。台积电和三星拥有最先进的5nm芯片制程技术，他们技术的共同点是使用荷兰ASML的EUV光刻机。一般来说，主流的光刻机技术分为DUV和EUV技术，前者表示“深紫外”，后者表示“极深紫外”。DUV光刻机可以做到25nm工艺，Intel双工作台模式可以做到10nm工艺。但是，10nm以下的制程技术只有EUV光刻机才能实现。由于西方国家的封锁，目前我国芯片厂商无法采购EUV光刻机来制备先进工艺技术芯片。而深紫外光刻机完全可以满足5nm碳基芯片制备的工艺要求。这预示着未来我们或许可以在不依赖进口光刻机的情况下，开发出先进工艺的芯片制造技术。这实际上给了我国芯片产业弯道超车的机会。在2021年IMEC（欧洲微电子研究中心）公开会议上，与会者提出了四种延续摩尔定律、突破2nm硅基芯片物理极限的方法。四种方式中，碳基芯片的开发方案得到了专家组的一致认可。专家一致认为，碳基芯片将成为继硅基芯片之后的新一代主流芯片技术。我国碳基芯片领军人物彭连茂院士在接受人民网采访时也透露，他认为碳基芯片是智慧城市运营发展的最佳选择。彭院士还预测：“碳基芯片有望在十五年内成为芯片产业的主流技术。”目前，碳基芯片还处于实验室研究的初级阶段，量产之路依然“任重而道远”。据初步估算，要想真正完成碳基芯片从实验室到办公室的跨越，至少需要保证十年的持续资金投入，而碳基材料研究的投入需要数十亿。元。但由于投资回报前景不明朗，市场投资者兴趣不足。在这种情况下，政府的投入和支持就显得尤为重要。据新华社报道，碳基材料将被列入“十四五”原材料工业相关发展规划。此外，据彭博社报道，2021年，我国有计划研发碳基芯片，以帮助中国芯片制造商克服美国制裁。由此可见国家对碳基芯片的政策支持和对其未来的期待。在可预见的未来，国产芯片或许真的能撑起碳基芯片这艘桨，扬帆新时代的大海彼岸。
