有望成为下代芯片材料，碳基芯片的关键在哪？能绕开荷兰光刻机吗

2020年5月在美国知名杂志《科学》上，北大团队刊登了一篇关于碳基半导体的论文，文中提到了“高密度碳纳米管”的提取和组装方法，业界更是将这一成果称为——碳基半导体进入规模工业化的基础，通俗讲就是利用这个方法提取的碳纳米管，可以用来制取芯片。

目前制取芯片的材料是硅基，而碳纳米管制取的碳基芯片，相比于传统硅基在成本、性能和功耗上更加具有优势。而且碳基芯片最突出的一个地方就是，28纳米制程的碳基芯片与目前主流7纳米硅基芯片的性能相当，所以我们只需用28纳米的光刻机，便可以获得全球最先进EUV光刻机的效果。

这样看来碳基芯片确实是比较靠谱的，中国在碳基半导体的提取技术上，也已经做到了行业顶尖水平。那么台积电这些已经将硅基芯片做到工艺极限的大厂，为什么要用咋们的碳基材料，将行业话语权乖乖交出来呢？

问题不是台积电或者整个芯片行业想不想用，而是他们——必须要面临这一步的选择。而这一切就要从芯片业界的一条至尊定律——摩尔定律说起。1965年美国人戈登摩尔提出了一条芯片定律，遵循这条定律，硅基芯片的性能每隔两年左右就会翻一倍，具体表现在芯片的制程有规律提高。但是硅基芯片进入5纳米、乃至2纳米制程以下后，人类的加工工艺也逼近了极限，所以摩尔定律正在逐渐失去“预言“的作用。

而这正是由于硅基芯片本身的物理性质所限制的，往更小的制程做、芯片中的晶体管更小时，硅基芯片会出现漏电效应和短沟道效应等问题，而用碳基材料来做晶体管，就不用做这么小，不用去逼近工艺极限，就可以获得与硅晶体管同等的性能。所以芯片从业者们要么继续寻求破解的技术，要么就更换制作芯片的材料，这是今后芯片行业必须面对的抉择。

所以碳基芯片的方向是有一定可行性的。要知道数码相机的诞生，打败了胶片大厂柯达，智能手机的出现干掉了翻盖巨头诺基亚，所以我们不能忽视中国芯片行业的任何一次机会。

但除了看到碳基芯片给中国半导体行业，带来的一线生机外呢，还要理性看待碳基芯片存在的技术障碍和研发周期。北大碳纳米管提取团队的带头人彭练矛教授曾表示，该团队的下一步目标是在3年内完成90纳米碳基CMOS先导工艺的开发，性能上相当于28纳米的硅基芯片。也就是说，我们在这几年是要完成90纳米碳基芯片的工艺研发，也就是将90纳米碳基芯片设计出来，其性能相当于28纳米的硅基芯片，相比于目前硅基芯片5纳米的一线水平，我们刚好可以迈入门槛。

其次此次碳纳米管的提取是将碳基半导体技术，从实验室向着产业化应用推进了一大步，但是呢，在完全达到产业化之前，我们还有很长的一段距离要走。碳纳米管的提取仅是完成芯片众多制造步骤中的一小步——芯片材料的提取，后续芯片内部结构的制作步骤还有不少，在电路缩放版图的印刻上我们仍然需要用到光刻机，但对光刻机精度的需求没有像现在这样急迫。即使我们完成了硅基芯片的设计，但整个行业也没有生产制造的能力，而硅基芯片制造技术这一步也是我们必须面对的。

最后碳基芯片产业和生态的建立还需要一定的时间，而今后发展的趋势很可能是和硅基芯片产业链相融合。目前各大厂商在硅集成电路产业投入了巨额资金研发，完善了芯片设计、制造和封装等一系列环节，才有了今天如此成熟的硅基芯片产业链。如果行业最终选择碳基芯片、以及碳基芯片的技术愈发成熟时，产业链和生态的更换，或者因为碳基芯片和硅基芯片有着技术交叉，我们可以进行产业链的融合时，都是需要一个时间周期。

所以我们现在虽然有了领先的碳基半导体技术，在碳基芯片的发展上有一定的先发、主导优势。但是我们仍然要埋头发展整个芯片产业链，更不能沉醉于马上弯道超车的幻想中。短时间内，华为的芯片困境不会改变，中国芯片行业的障碍不会解除。

碳基芯片就是石墨烯芯片，碳基芯片的制作工艺而碳基半导体芯片用到的是碳纳米管或石墨烯，碳纳米管和石墨烯的制备过程跟硅基晶体管的制备方法有着本质的差别，两者的主要原料是石墨，目前生产工艺可以通过电弧放电法、激光烧蚀法等多种方式制成。所以碳基芯片电路的加工一定不会用到光刻机。碳基芯片的性能将是普通芯片的10倍以上。众所周知我国的芯片技术是落后于国外的芯片技术，我国的电子控制核心得芯片大部分都需要进口，电子行业的现状就是，最好的芯片在美国，其次是日本，欧洲，再次是韩国，差一点的是台湾。什么华润，中芯之类的，人家是帮国外低端芯片作代工的。当然，在批发市场那些廉价的，用几个月就坏的小玩具或者遥控器里面，是有国产的芯片。不得不说我国的芯片技术还有很大一个提升空间。现在，我国在碳基芯片上取得了不小的成果，碳基芯片区别于传统硅基芯片，碳基芯片从一种高级的纳米工业技术中产生。碳基芯片和硅基芯片相比，性能或将提升 10 倍，据研究表明，同等工艺制造当中，碳基芯片表现出的优势要远远强于硅基芯片。碳基芯片的延展性非常强，它可以做到普通芯片难以做到的事，比如可以用于一些折叠设备，而且重要的一点是，碳基芯片不需要光刻机也能完成制造，而且碳基芯片的用处可用于更加广泛的领域当中。我国的芯片技术虽然落后于西方，但是在我们不断的努力和坚持下，我们也研发了了碳基芯片，国外对于碳基芯片还没有一丝的进展，对于碳领域上，我国已经领先于西方国家，而且碳基芯片可能超过他们。希望我国的技术越来越发达，争取超越西方国家，打击他们嚣张的气焰。