戍天九思：北大突破碳基芯片量產關鍵技術！我國芯片可望“換道超車”！_風聞

　2020年5月22日，《科學》雜誌發表了一篇題為《用於高性能電子學的高密度半導體碳納米管平行陣列》的論文，介紹了北京大學電子學系彭練矛院士和張志勇教授團隊最新研發的多次提純和維度限制自組裝方法。《科學》雜誌評價：該成果突破了長期以來阻礙碳納米管電子學發展的瓶頸，首次在實驗上顯示了碳納米管器件和集成電路相對於傳統技術的性能優勢，顯示了碳納米管電子學在其他材料中鮮有的優勢，為推進碳基半導體技術的實用化和規模工業化奠定了基礎。

　　該項成果在國際上至少能保持2年的領先優勢，表明用碳基芯片取代現有的硅基芯片距離實用化又邁近了一大步，我國可望在碳基芯片研發上“換道超車”！　　

北大碳基芯片突破了什麼關鍵技術？

　　長期以來，美國領先並壟斷着硅基芯片技術。我國在硅基芯片技術上一直受制於人，每年進口芯片費用高達3000億美元，比進口石油費用的還高。由於受摩爾定律影響和物理限制，目前硅基芯片技術已走到了2nm的極限，硅基管很難再小了。

　　這次北大研發團隊另闢蹊徑，採用了碳基芯片技術，將原先二維硅基芯片技術變成三維碳基芯片技術，這樣就能打破物理極限！由於碳納米晶體管電子遷移率是硅的1000倍，碳納米管電子活動更為自由，不易摩擦發熱，因此，碳基芯比硅基芯片具有成本更低、功耗更小、效率更高的明顯優勢。美國國防部2018年支持的一項研究，就希望用90nm規格的碳芯片，實現7nm規格的硅芯片同等的性能。但是，碳基芯片在製造工藝上一直未能突破，就是很難製造出高純度、高密度、排列整齊的碳納米管陣列。

　　儘管早在2013年美國斯坦福大學就製造出了第一台碳納米管計算機。而到了2019年8月，美國麻省理工學院發佈了全球第一款碳納米管通用計算芯片，裏面只包含1.4萬個晶體管。當時，《自然》雜誌連發3篇文章介紹這項成果，可見其轟動性。但是，這1.4萬個碳晶芯片與現在手機硅晶芯片上百億個晶體管還差得遠，原因就是麻省理工學院所用到碳納米管陣列的純度只能達到99.99%（4個9）。

　　北大彭練矛、張志勇團隊，通過獨創的製備工藝，在4英寸的基底上，製備出密度為120/μm、純度高達99.9999%（6個9）的碳納米管陣列。這在密度和純度兩個重要的指標上，都比麻省理工學院的研究成果高出了1-2個數量級。而且，基於這種高品質的碳管陣列，北大研究人員還批量製作出了相應的晶體管和環形振盪器來驗證這種新工藝的批量生產潛力。實驗發現：這些晶體管和環形震盪器的性能，首次超過了同等尺寸下的傳統硅芯片裏面的器件，證明了碳基芯片確實有可能比硅基芯片更強。

　　專家猜測碳基芯片的純度至少在6到8個9的時候，才能夠讓碳基芯片的性能比肩傳統硅基芯片。而北大團隊量產製作的碳基芯片純度已實現了6個9的突破，已經跨過了碳基芯片實用化的門檻。

換道走了20年，只為這片“中國芯”

　　彭練矛院士從事碳基半導體研發長達20年，帶領研究團隊探究用碳納米管材料製備集成電路的方法，一路披荊斬棘，此前已兩度在《科學》雜誌發表了論文。

　　第一次是2017年1月。彭練矛團隊首次製備出柵長5納米的碳管晶體管、也是世界上迄今最小的高性能晶體管，綜合性能比當時最好的硅基晶體管領先10倍，接近了理論極限。具體來説，其工作速度3倍於英特爾當時最先進的14nm商用硅材料晶體管，但能耗卻只有其四分之一。

　　第二次是在2018年6月。彭練矛團隊提出超低功耗的狄拉克源場效應晶體管，並發表在《科學》雜誌上。同年，用高性能的晶體管制備出集成電路，不僅躋身與斯坦福大學、麻省理工學院等研究機構同步的國際領跑行列，而且在最關鍵的核心技術上是世界領先的。

　　彭練矛表示“我們的碳基半導體研究是代表世界領先水平的。”與國外硅基技術製造出來的芯片相比，我國碳基技術製造出來的芯片在處理大數據時不僅速度更快，而且至少節約30%的功耗。

我國碳基芯片的重大突破會帶來什麼？

　　過去，中國芯片更像是“在別人的牆基上砌房子”，如今有望在自家院子壘牆。北大張志勇透露，這次在碳管材料上取得的進展，至少可以在國際上保持兩年優勢。正在參與中國碳基芯片研究的郭鑫説：“就算不能全面領先世界，起碼可以擁有籌碼。這樣別人卡我們，我們也可以卡別人。”

　　更可喜的是：北大的突破不僅有碳基芯片材料方面的突破，也有先進製造工藝的突破——可以使可伸縮的DNA生物模板來製作納米級的電子圖形。如果技術成熟投入應用，那就可以擺脱荷蘭的ASML光刻機了。

　　北京碳基集成電路研究院的專家説，自兩年前4吋碳基晶元的整條線投入從製備、電路設計、光刻、封裝全線的實驗以來，已經在產品端上出了4吋5微米柵長的碳基晶元。這次的成果直接可以跟前端射頻器件廠商牽手。

　　對於量產時間，郭鑫稱難度相對較低的物聯網碳管芯片，預計3至5年內就可能商用。而應用於手機和服務器上的碳管芯片，則需要更長時間。目前，雖然多數國內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。

　　當前，中國在碳基信息電子器件領域，不僅基礎紮實，研究能力也很強，並已處於世界先進水平。彭練矛團隊表示：“我國應充分抓住時間窗口，利用新技術的紅利，形成全新的、自主的信息器件技術。”

　　筆者認為，中國有5G釐米波和毫米波兩個波段核心技術的重大突破，又在碳基芯片量產上有關鍵突破，中國正在贏得5G時代！美國對華打科技戰，只會倒逼中國加速擺脱核心技術受制於人的歷史！