電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/吳子鵬）從2017年北京大學(xué)彭練矛團隊首次制備出了5納米的高性能碳晶體管，國內(nèi)的半導(dǎo)體圈子就一直在盛傳碳基芯片，近來這種討論再次鼎沸。原因無外乎兩個，一方面摩爾定律的推進放緩已成事實，雖然晶圓代工廠在不斷更新制程數(shù)據(jù)，但性能和功耗都早已脫離了原來的路線；另一方面國產(chǎn)芯片在硅基芯片領(lǐng)域受阻嚴(yán)重，目前EUV***這種關(guān)鍵設(shè)備根本無法進入中國大陸，一段時間內(nèi)國產(chǎn)芯片制造工藝停滯不前是可以預(yù)見的。

近兩日，國內(nèi)的學(xué)者和自媒體再次引爆碳基芯片話題，推崇和質(zhì)疑又紛至沓來。輿論的兩極化讓碳基芯片的發(fā)展蒙上了一層輕紗，聲色誘人，又似有“天生頑疾”。

碳基芯片的先進性和前沿進展

從定義上看，碳基芯片是指以碳納米管、石墨烯等材料為核心的芯片，相較于硅基芯片，碳基芯片在理論上有著1000倍的電子遷移性能，有更高的傳輸速率、更低的成本和更低的功耗。目前已經(jīng)有研究表明，同等工藝下的碳基芯片在性能方面遠(yuǎn)超硅基芯片。

因此，目前的發(fā)展態(tài)勢是碳基芯片并非會脫離當(dāng)下的芯片產(chǎn)業(yè)，依然會借助現(xiàn)有芯片的制造工藝，目前少數(shù)的試驗品證明，碳基芯片確實更出色。

接下來，我們從彭練矛團隊公開的信息以及其他相關(guān)研究來看一下，碳基芯片到底有何妙處？其先進性體現(xiàn)在哪里？

我們在北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院師資隊伍中看到，彭練矛教授主攻的方向基本是圍繞納米技術(shù)，包括納米電子及功能材料的合成；基于納米材料的高性能電子、光電子器件的制備，器件物理，納米集成電路的實現(xiàn)和系統(tǒng)集成；納米器件在化學(xué)、生物傳感及能源方面的應(yīng)用。因此，彭練矛團隊在碳基芯片上面的研究可能會是從材料到芯片制造到應(yīng)用的全覆蓋。

我們都知道現(xiàn)代芯片的根本是晶體管，那么要做碳基芯片，首先就要用碳材料做出晶體管。2000年，彭練矛團隊就開始著手探究用碳納米管材料制備集成電路的方法，并于7年后，也就是2007年成功研發(fā)出一種碳納米管晶體管的制備方法。

通過采用碳納米管作為溝道導(dǎo)電材料，碳晶體管是由碳原子排列而成的微小圓柱體，比現(xiàn)在的硅晶體管小100倍，也就意味碳晶體管可以做到更小。在此將上述優(yōu)點綜合起來看，也就是專家所講到的，只使用28nm工藝的碳基芯片就會有7nm硅基芯片的等效性能。在實驗室條件下，碳基芯片的功耗表現(xiàn)優(yōu)于硅基芯片5倍，且能效比是硅基芯片的50倍。在三維集成電路上，碳晶體管的優(yōu)勢會更加明顯，理論上的功耗表現(xiàn)會優(yōu)于硅基芯片1000倍。

下圖是北京元芯展示的一種新型的具有超強抗輻照能力的碳納米管場效應(yīng)晶體管，彭練矛-張志勇課題組有參與其中。在此引述一下該項研究的一段描述，在低輻照劑量率（66.7 rad/s）下，晶體管和反相器電路能夠承受15 Mrad（Si）的總劑量輻照。在此基礎(chǔ)上，課題組發(fā)展了可修復(fù)的碳納米管集成電路，結(jié)果表明，經(jīng)受3 Mrad總劑量輻照的離子膠碳納米管場效應(yīng)晶體管和反相器，在100℃下退火10分鐘，其電學(xué)性能和抗輻照能力均得以修復(fù)。

這項研究無疑證明了碳基芯片具有很好的抗輻照特性。

當(dāng)然，世界上第一個碳納米晶體管陣列并非誕生在中國，而是由IBM的研究人員制造出來的，并且也不僅僅只有中國在研究碳基芯片，美國同樣很重視，另外作為全球晶圓代工巨頭的臺積電也出現(xiàn)在這個領(lǐng)域。

在碳基芯片領(lǐng)域有一個關(guān)鍵問題是，過去很難有辦法很好地控制碳晶體管，那么就無法復(fù)現(xiàn)邏輯電路中的開關(guān)功能，由臺積電首席科學(xué)家黃漢森領(lǐng)導(dǎo)，來自臺積電、斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員通過一種新的制造工藝解決了這個問題。

過去硅基芯片是將具有較高介電常數(shù)（即高k）的介質(zhì)材料——二氧化鉿沉積在二氧化硅上，但碳納米管不能形成氧化層，于是研究人員又在其中加入了一種中間k介質(zhì)——氧化鋁。這樣碳基芯片就具備了工作的能力。

匯總來看，彭練矛團隊研究出來了無摻雜制備碳晶體管的方法，并于2017年首次制備出了5納米的高性能碳基晶體管，還發(fā)明了一套可以制備排列碳納米管的技術(shù)，排列密度達到每微米200-250根，通過采用“6個9”純度的碳納米管材料，滿足了半導(dǎo)體的制備工藝，相關(guān)成果被《Science》發(fā)表。在制造方面，臺積電為首的研究團隊解決了碳基芯片工作的難題，而北京元芯碳基集成電路研究院也攻克了相關(guān)問題，并在2021年12月于北京亦莊舉行了“90 納米碳基集成電路關(guān)鍵工藝研究”課題驗收會，嘉賓不僅看到了樣品實物，還參觀了正在建設(shè)中 90 納米工藝先導(dǎo)線，產(chǎn)品綜合性能等效28nm硅基芯片。

針對碳基芯片的質(zhì)疑聲

雖然彭練矛團隊通過無摻雜的方式制備出了碳晶體管，臺積電等研究團隊通過進一步注入中間k介質(zhì)解決了碳晶體管開關(guān)控制的難題，而且彭練矛團隊和MIT團隊都基于碳晶體管設(shè)計出了計算芯片，但這些成果大都是在實驗室中完成，且碳基芯片還有很多待攻克的材料和技術(shù)難題，因此質(zhì)疑者的聲浪并不低于對碳基芯片推崇的人。

第一個質(zhì)疑是碳活躍的問題，雖然通過特殊的方法能夠用碳納米管制備晶體管，但晶圓代工企業(yè)的員工大都認(rèn)為從實驗室將碳基芯片的制備方法轉(zhuǎn)移到產(chǎn)線，碳分子的活躍性將帶來巨大挑戰(zhàn)，這是一個量產(chǎn)難題。同時，碳分子的活躍性也給應(yīng)用帶來了不確定性，下游生態(tài)的搭建阻力更大。此外，碳納米管提純難度大，“6個9”純度以上的碳基材料是否可量產(chǎn)，或者量產(chǎn)的經(jīng)濟效益是否合理都是未知數(shù)。

第二個質(zhì)疑是碳納米管相對于硅納米管更小，這本來是碳基芯片的優(yōu)點，可以制備更先進工藝的芯片，但正如中芯國際此前提到的，碳基芯片的生產(chǎn)難度更高。中芯國際代表著大陸晶圓制造的最高水平，那么很顯然更小的碳晶體管會成為量產(chǎn)的一個障礙，要用更小的碳晶體管實現(xiàn)功能電路無疑需要更先進的***，又回到了老問題上。

第三個質(zhì)疑也是針對碳材料本身的，一個是電阻的控制，另一個防漏電，要成為穩(wěn)定可靠的功能芯片，這兩點是必須要徹底解決的。

第四個質(zhì)疑是路徑依賴，硅基芯片發(fā)展至今已經(jīng)在材料、設(shè)備、制造和應(yīng)用等環(huán)節(jié)形成成熟的生態(tài)鏈，國內(nèi)的從業(yè)者也是大批大批地涌入這個領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)要興起，人才是不可或缺的，在國產(chǎn)硅基芯片都人手不夠的情況下，預(yù)計只有極少數(shù)的人會參與到碳基芯片的研究中。在這樣的情況下，碳基芯片即便沒有缺陷想另起爐灶也是難上加難。

在學(xué)術(shù)上的質(zhì)疑聲之外，還有一些聲音認(rèn)為，碳基芯片只能存在于學(xué)術(shù)端，無法走進產(chǎn)業(yè)，是學(xué)術(shù)工作者“水paper”的手段。

后記

國產(chǎn)芯片在過去一段時間里經(jīng)常提彎道超車，但開車的人都知道彎道是禁止超車的，不是說不能，而是太危險了，有著投機取巧的心理。要超車就需要換道，在芯片發(fā)展上面同樣是這個道理，要想在芯片上面取得領(lǐng)先，硅基芯片上面的可能性無限趨于零，一個EUV***就把我們卡的死死的。

那么要想在芯片上面實現(xiàn)超越，就需要換條賽道，光量子芯片和碳基芯片等都是全新的賽道，現(xiàn)在我們還無法篤定哪條賽道會成功，因此都不落后于人是至關(guān)重要的。有人質(zhì)疑，高校搞前沿科技是為了paper數(shù)量，是為了“攢資本”，這樣的理解過于狹隘了。且不說北京元芯已經(jīng)在推進碳基芯片的生產(chǎn)落地，即便沒有，也不能讓“利益論”綁架高校的創(chuàng)新燈塔，科技的進步要謹(jǐn)記為有源頭活水來?；衔锇雽?dǎo)體在功率器件、LED等領(lǐng)域取代硅也有一個過程。

但實驗室水平和應(yīng)用落地之間也隔著層層鴻溝，至少需要確保十年以上的持續(xù)資金投入和政策支持，我們也不能過渡吹捧我們的科技創(chuàng)新。所謂捧殺，捧殺，很多事情的失敗不是因為競爭打壓，過渡的輿論發(fā)酵會讓管理者、參與者迷失，最終因為不合理的理想和現(xiàn)實之間的落差而導(dǎo)致很好的項目胎死腹中。