彭练矛说碳基电子是国产芯片技术突围利器，他为何这么说？

彭练予是谁？他是中国科学院院士、湖南先进传感与信息技术创新研究院院长，他在“碳基材料与信息器件研讨会” 上表示，针对中国半导体材料、制造工艺和芯片设计落后的状况，碳基电子大有所为，其对国产芯片技术突围具有重要价值和意义。

目前中国芯片技术整体产业链面临着被“卡脖子”的状况，关键因素在于中国在芯片技术领域没有核心技术和自主研发能力，没有主导芯片从材料、设计到生产制备的全套技术中任何一个环节。相比传统的硅基技术，新一代的碳基电子及其信息器件具有更优异的性能，在包括数字电路、射频/模拟电路、传感器件、光电器件等所有半导体应用领域都具备革命性的应用前景。

而目前我们使用的手机、电脑等产品，这些产品的核心部件芯片正面临着性能极限的逼近。 所以科学家们正在探索用新材料来替代硅制造芯片，从而冲破芯片的物理极限。“没有芯片技术，就没有中国的现代化。实现由中国主导芯片技术的‘直道’超车，就是碳基电子的定位和使命。”彭练矛表示，碳基电子的终极使命就是在现有优势下扬长避短，从材料开始，全面突破现有的主流半导体技术，研制出中国人完全自主可控的芯片技术，在主流芯片领域产生重要影响。

多年来，为了在碳芯片研究上取得突破，国家投入了巨大的研发资金。日前，北京元芯碳基集成电路研究院宣布，中科院北京大学教授彭练矛和张志勇率领团队突破了长期困扰碳基半导体制备的瓶颈。有评论称，这项成果相对美、韩等国当前先进的硅基半导体技术，不是“弯道超车”，而是“造路超车”，将促进全球半导体行业迎来大洗牌。

从碳基芯片的制造工艺上看它是不需要光刻机的，那自然与之配套的光刻胶也就不需要了。由于高端光刻机的限制，国内没法完成7纳米及以下的芯片的加工，而碳基芯片的出现给了我们一个新的选择。

碳基芯片的发展其实碳基芯片项目的立项已经是20年之前，但是直到两年前彭练矛院士和他的团队才制造出4吋5微米栅长的碳基芯片，相当于我们常说的硅基芯片的28nm工艺，但是相较于当时主流的硅基芯片工艺来说差距甚远。直到今年的5月26日彭练矛和张志勇教授组成的碳基纳米管晶片研发团队再一次突破了碳基半导体制造设备的瓶颈，并把研究成果发在国际权威学术期刊《科学》上，至此宣告我国的碳基芯片的发展处于世界领先的地位。

碳基芯片的优势虽然市面上的芯片还是以硅基芯片为主，但从整体的发展形势上看，碳基芯片的发展空间更大，也更加有研发的价值。相较于传统的硅基芯片，碳基半导体具有制造成本更低、效率更高的优势，再加上我们国家全球领先的技术，至少能减少芯片30%的功耗，因此一直被视为最好的半导体材料。在应用能力方面，碳基芯片也要比硅基芯片处理的速度更快，发展前景十分广阔。

碳基芯片什么时候能完成弯道超车？虽说上面我们科普了碳基芯片的诸多好处，但是碳基芯片的成果还是只停留在实验室，并没有形成一个成熟的产业。想要让碳基芯片真正走入市场，前期的投入肯定不会少；再加上现在碳基芯片的高端人才紧缺，工艺制造难度上也相对较高，这给碳基芯片的批量生产增加了不少的难度。除非国家有魄力拿出当年支持传统集成电路技术的支持力度，再加上国内各大公司的资金和技术的倾斜，在5年可能会有商业芯片产出，在10年左右才会有真正高端的碳基芯片出现。不过硅基芯片发展也不会停滞不前，如果要实现完全的超越，至少需要20~30年左右。虽说碳基芯片的应用前景十分广阔，但是在我国尚未形成相关的产业，短期内并不会对世界的芯片产业产生任何影响。目前华为等国内企业已经开始和彭院士的团队进入对接，虽然远水解不了近渴，但是起码给了华为一个新的备选方案

碳基芯片毕竟停留在实验室，商业前景不明朗，至少在未来5到7年里，或者说没有庞大的市场需求驱动，企业应该没有什么动力去为碳基芯片的商业应用进行大量投入。简而言之，没有真正引发全球业界强烈的共鸣，一个巴掌拍不响的。

▲2018至2025年，各制程工艺在台积电营收中的贡献变化

当前半导体行业中的光刻机、EDA软件设计工具、测试仪器、生产工艺流程等是否可用于制造碳基芯片?彭练矛院士说：“使用率大约能达到80%~90%，但碳管材料的清洗、刻蚀等步骤需要特殊处理，碳管器件的模型需要单独建立。”换言之，当硅基芯片在工艺上达到极限、再也无法突破，转而投向碳基芯片，那么业界要推动碳基芯片继续缩小节点，还必须要仰赖其他环节。例如光刻机，光刻机在硅基半导体晶圆制造成本中可是占到大约一半。

一方面，中国（包括政府、科研机构和企业等在内）围绕硅基芯片总计投入的人力、物力和财力非常之大，涉及原材料、半导体机台设备、开发设计、生产制造、封装测试等几乎所有环节，从国家层面考虑，目的不外乎是尽可能缩小与国际领先之间的差距，同时为培育出大量本土人才创造条件。中国在集成电路领域投入如此之大，尚没有好好消化、完全吃透，实现应有的回报。但另一方面，中国半导体产业在原材料、半导体生产设备、软件设计工具等环节相对滞后也是事实，而且高度依赖国外厂商。最致命的还是，高端专业人才稀缺，仍需大量引进。在此情况下，就算中国本土半导体上中下游企业肯齐心协力转向碳基芯片，希望抢先国外一步实现所谓的“弯道超车”，也不能不考虑各种可能的风险。例如，华为与台积电本来合作得非常愉快，但美国企图彻底阻止台积电为华为代工芯片。

况且，彭练矛院士自己也说：“现代芯片制备有上千个步骤，其中一步做不好，就没有好的产品。最后是一个系统优化的问题，材料、器件、芯片设计等密不可分。”

另外，彭练矛教授还说过：“碳纳米管的制造乃至商用，面临最大的问题还是决心，国家的决心。若国家拿出支持传统集成电路技术的支持力度，加上产业界全力支持，3-5年应当能有商业碳基芯片出现，10年以内碳基芯片开始进入高端、主流应用。”

根据已公开的信息（碳基的一些优势在此省去不说了），碳基芯片是半导体产业的方向之一，但不能确定就是技术发展的唯一必然方向。不过，业界确实可以从最简单的商业应用开始尝试做起，从简单到复杂，从低端到高端，从小范围到大范围，从专业特定领域到全范围推广。

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