早在互聯(lián)網(wǎng)混沌初開之時便已經(jīng)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(shù)發(fā)展的成本被不斷堆高。這使得包括英特爾在內(nèi)的部分廠商在制程工藝上的發(fā)展日漸受阻。

摩爾定律的逐漸失效是因為在現(xiàn)有的芯片制造技術(shù)下晶體管都處在一個平面上，其數(shù)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(xiàn)在的芯片制造工藝已經(jīng)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(xù)摩爾定律，但在3D堆疊上仍然還存在一些技術(shù)問題。

另一方面，目前我國的芯片制造行業(yè)在技術(shù)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(nèi)仍屬空白，這使得我國一些高精尖領(lǐng)域?qū)π酒�的需求完全依賴進口。根據(jù)統(tǒng)計，2020年我國在服務(wù)器和計算機中的CPU國產(chǎn)市占率僅為不到0.5%，國產(chǎn)芯片在高性能計算市場中幾乎沒有存在感。

功耗降低50倍，不用進口光刻機，國產(chǎn)芯片要靠“碳”超車？

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(fā)達國家在芯片領(lǐng)域用幾十年時間累積的技術(shù)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(shù)，也許就是未來國產(chǎn)芯片實現(xiàn)趕超的機會。

在芯片行業(yè)整體呼喚變革的當(dāng)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(shù)——碳基芯片

目前，由于硅基芯片的發(fā)展已經(jīng)逼近極限，各大芯片廠商紛紛尋找芯片行業(yè)在未來新的發(fā)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(jīng)被國內(nèi)外眾多學(xué)者和知名芯片制造企業(yè)認為是最可能代替硅基芯片的次時代技術(shù)。

由于石墨烯和納米碳管特殊的幾何結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)中沒有金屬中那種可以導(dǎo)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(zhì)使得納米碳成為了最理想的納米尺度的導(dǎo)電材料。

用納米碳作為材料制造的晶體管，在實驗室環(huán)境下，其功耗表現(xiàn)優(yōu)于硅晶體管5倍；碳基集成電路的功耗綜合表現(xiàn)優(yōu)于當(dāng)前技術(shù)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(gòu)集成，能夠克服三維集成電路面臨的技術(shù)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(yōu)勢。

對于我國在芯片領(lǐng)域技術(shù)落后的現(xiàn)狀，碳基芯片的制造還具有成本低，門檻低的優(yōu)點。

碳基芯片的材料決定了采用在芯片制造領(lǐng)域中相對簡單的平面器件工藝，就可以實現(xiàn)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(shè)備，且在設(shè)備比目前先進制程工藝設(shè)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(dāng)，這使得我國芯片制造行業(yè)在新賽道上突破“卡脖子”成為可能。

要想實現(xiàn)碳基芯片的量產(chǎn)，高質(zhì)量的碳晶體管制備技術(shù)至關(guān)重要。根據(jù)IBM沃森研究中心對碳納米管集成電路的規(guī)劃，理想的碳納米管材料應(yīng)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(dǎo)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(nèi)外對制備高半導(dǎo)體純度碳納米管已經(jīng)有了一定的研究。2013年IBM的Cao等人制出了半導(dǎo)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(chǎn)所需。

2016年，北京大學(xué)的彭練矛研究組發(fā)現(xiàn)了一種“蒸發(fā)誘導(dǎo)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(dǎo)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(biāo)志著我國碳納米管的制備工藝已經(jīng)達到了碳基芯片所需的技術(shù)奇點。

功耗降低50倍，不用進口光刻機，國產(chǎn)芯片要靠“碳”超車？

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(xué)開發(fā)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(lǐng)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(fā)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(yè)突破技術(shù)護城河，走向世界的關(guān)鍵。

打破先進光刻機封鎖，國產(chǎn)“芯”彎道超車的機會

對于這條芯片領(lǐng)域的新賽道，我國各界都相當(dāng)關(guān)注。

從技術(shù)角度來講，我國目前在芯片領(lǐng)域最受擎肘的并不是設(shè)計環(huán)節(jié)，而是其制造環(huán)節(jié)。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(shù)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(shù)分為DUV和EUV技術(shù)，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(yè)目前無法購買到EUV光刻機進行先進制程工藝芯片的制備。