碳基芯片是真事儿，还是在忽悠人？

您好，很高兴回答的您问题，以下是我的个人观点。

当然是真事儿，而且这个芯片有很多优势。

在硅基芯片的发展上，中国面对重重障碍，EDA软件、IP、晶圆、生产工艺、设备等等的技术都遭到技术封锁，高端芯片产业链几乎没有中国的份额，华为海思很不容易搞出芯片来，马上就遭到美国的打压。

但是最近出来了一个好消息，北京元芯碳基集成电路研究院中国科学院院士、北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的团队，经过多年的研究和实践，解决了长期困扰他们基半导体材料制备的瓶颈，如材料的纯度，密度与面积等问题。

碳基芯片的优势，成本更低，功耗更低，效率更高，是一种很好的半导体材料，很可能是下一代晶体管集成电路的最理想材料，如果研发成功，到时候芯片内部的晶体管的栅极就是更优秀的碳材料。

早在2017年的时候，彭练矛的团队就研制出高性能五纳米的栅长碳纳米管CMOS器件，这是当时世界上最小的高性能晶体管，它的综合性能比最好的危机晶体管高出了十倍，但是能耗却比硅材料的晶体管少了3/4，当时也登在了自然科学杂志上。

碳基技术，真的会在不久的将来应用在国防科技，卫星导航，气象监测，人工智能，医疗器械这些与国家和人民生活息息相关的重要领域。

彭练矛说“相对于一些时髦的新应用技术，类似芯片这样的基础性研究应该获得更多的关注，因为它对于一个国家的科技实力提升起着更为核心和支撑的作用。”

但是我认为要是投入到工业生产，还是要经过很长的一段路程，希望他们能快点找到解决办法，所以，要真正做到芯片国产化，不仅要提高芯片研发能力和生产能力，还需要提高我国的光刻机研发的制造能力，这些科技都需要花费很长时人力物力和资金，虽然困难重重，我依然认为不久的将来一定会实现的。

从下面的时间节点你会发现，可能下一代的芯片就会使用碳基！

2019年5月26日，北京元芯碳基集成电路研究院宣布，解决了长期困扰碳基半导体材料制备的瓶颈！

2019年，中科院研究所的殷华湘团队公布：他们已经成功研发出相等于人类DNA的宽度的3nm晶体管。

2020年5月，北京元芯碳基集成电路研究院宣布，中国科学院院士北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的团队，解决了碳基半导体材料制备的瓶颈，如材料的纯度、密度与面积问题。

这意味着接下来制造芯片不一定要采用硅了，而可以使用碳来制造了，也就是碳基芯片了。

所谓的碳基半导体，它的成本更低、功耗更小、效率更高。它是一种有别于现在芯片的硅材料，因此突破这种材料的限制，对于我们的芯片未来确实非常有帮助。

未来它将使用在多种设备上，比如说手机芯片，计算机芯片等等方面，甚至碳基技术芯片可能让我们的手机更流畅，电池更耐用。

碳基芯片，资料已经介绍了，效率比硅基芯片高，性能比硅基芯片好。如果是这样子，根据科学发展的规律，在不久的将来就能由碳基芯片替代硅基芯片。新技术的出现，不可能一下子就能赶上旧技术的水平，但是新技术会逐步完善并超过旧技术的。先前就有很多的例子：先说火车刚制造出来第一次开动的时候，据说还没有骑着马跑的快呢！骑着马和火车比赛的人们，都嘲笑火车的笨重和慢。再说显示器吧，开始是电子管显示器一家独霸天下，后来又出现了液晶显示器，当时有不少人认为液晶显示器成不了气候，不可能压过和替代电子管显示器，现在怎样啦！有目共睹吧！我们要有研究新事物、接受新事物的科学心态，不断 探索 、勇于创新，我相信，只要是碳基芯片的性能比硅基芯片的性能好，就会超过和替代硅基芯片！只是时间长短而已。

估计5年以后，也许10年或更长时间也难讲

碳基芯片的进度

碳基芯片其实已经研发了20多年了，1991年就发布了碳晶体管。但如果利用碳晶体管，科学界这20多年以来，就一直在研发这个问题。

从制备、提纯开始，一直到排列碳纳米管的方法，这一研究就是20多年呢，直到今年北大团队的研究成果，可以不再停留在实验室里了，让碳基芯片有了开始谈论规模产业化了的基础了。

但事实上从可开始生产到真正成为产业，这中间还会有10年甚至20年更长时间，毕竟产业链会涉及到材料、技术工艺，再到工种设备等等，这些上、下游都得跟上啊。

另外还可以给大家一个参考，按照北大团队的说法，他们的下一个目标，是在2-3年内完成90纳米碳基CMOS工艺开发。

大家看清楚了，2-3年内完全成90nm工艺的开发，而这90nm的碳基芯片，按照理论数据，相当于28nm的硅基芯片性能。

而28nm的硅基芯片，中芯国际在2015年就实现了量产，相当于一切顺利，碳基芯片其实至少也是落后10多年的。

所以真的碳基芯片要使用到具体的生产中来，没有个5年10年，是不太可能的，所以短时间内就不要期待了。

碳基芯片的前沿 科技 估计已经可以做出来了。只是性能和造价的问题，估计586的水平的碳基推上市场意义并不大。目前的碳基基本还是在沿用硅基的路子。我认为这在一定程度上局限了碳基芯片领域的发展。

我认为，硅基技术目前已经到了一定的瓶颈期。由于光的波粒二象性，为了让光呈现粒子态，就必须有观察者的存在。这也就是说，硅基芯片的加工基础光刻技术再向前发展也许需要量子学科实用化的突破。

而碳基技术，完全有可能走向另外一个 科技 树。通过生物技术实现功能逻辑单元的构建。虽然是有点科幻，但是哪像科学不是由科幻开始的呢？众所周知，病毒进入细胞之后就会，通过细胞核的物质进行自我复制。大自然中数量最庞大的病毒就是噬菌体，每种噬菌体通常只感染一种真核或原核生物。如果病毒的一系列基因片段可以作为某种计算结构的计算核心功能单元。多重片段组合起来行程一个活体的共生群落。原始构建稳定之后，一种生物性的计算细胞单元就可能改变人类。一个细胞就是一颗超高运算能力的CPU，而且会自我复制，一个生命周期到了，另外一个就分裂合成完毕了。

也许有人会把现在我发表的这个看成疯子。但我要说谁又能预测为了 科技 真正发展的脉络呢!如果生物碳基芯片问世，如今的人类也许就被融合了生物碳基芯片的新人类所取代。这一切谁又说得准呢？

如果只是硅基芯片发展路线的延续，碳基芯片的量产估计也就在5年之内。但如果换一个 科技 树，短则50年，长则上百年。

谁要用这个电子写科幻作品，可以联合署名吗？

1947年贝尔实验室演示了基于锗的半导体晶体管，开启了信息时代的新篇章。紧随其后的硅晶体管在1954年问世，很快就成为了集成电路技术的主流。历经60多年，“摩尔定律”已经被硅基芯片跑得奄奄一息。很多人开始提出疑问芯片是否应该在材料学上来一次“换道”，才能根本性地解决当下整个芯片产业的现状。

在硅基芯片不断试图在单位面积内容纳下更多的晶体管来提高芯片的性能的时候，人们一直也没有停下 探索 新材料的步伐，碳的优越特性成为了最佳选择，更为重要的是碳基芯片制造不需要经历硅基芯片抛光、光刻、蚀刻、离子注入等等一系列复杂工艺。

什么是碳基芯片？

我们都知道芯片中的晶体管就是半导体，我们不妨来看看它的结构。栅极和沟道区域之间有一层高K节电材质（绝缘层），通过施加在栅极的电压在沟道区域产生电场，从而切断电流的流动，控制沟道的导通和关断。栅极和沟道区域有一层绝缘层，最早这层绝缘层是用二氧化硅来构成，随着晶体管尺寸的缩小，绝缘层就变得越来越薄了，这样就可以通过更小的电压来控制电流，从而降低能耗。但绝缘层太薄，随之而来的就是量子隧穿效应，电子能够轻易透过它，所以后面就使用了具有较高介电常数的材料（比如二氧化铪）来作为绝缘层。

碳基芯片是利用单个碳纳米管或者碳纳米管阵列作为沟道材料，它允许电子从源极流到漏极。源极和漏极也不再掺杂硅，而是改用特殊的金属，利用金属与碳纳米管之间的结电压来制作晶体管。比如N型碳晶体管使用活性金属钪或钇来作为漏极，P型碳晶体管使用惰性金属钯作为源极。

硅晶体管为了克服固有缺陷所以不得不朝着三维立体结构不断演化来克服量子隧穿效应，而碳基晶体管一开始就是三维模型，每一个碳纳米管的直径为1nm，它比硅基晶体管更容易实现更小尺寸，而2nm或已经达到了硅晶体管的极限了。另外碳纳米管不管是电子的传导速度还是热传递性能都是硅的成百上千倍，但功耗却是硅晶体管的十分之一。

碳基芯片离商用还很远

基于碳的N型半导体、P型半导体已经有了，碳纳米管场效应晶体管也有了。在《自然》、《科学》杂志上也曾出现了多篇碳晶体管的论文。IBM为首的众多科研团队一直在研究碳纳米管技术，2017年北大的科研团队最早实现5nm级碳晶体管元器件。为了推动碳纳米管电路的可行性MIT研究团队甚至发布了全球首个超过14000个碳纳米晶体管的通用计算芯片。

实际上碳基芯片上世纪就已经提出来了，并且被预言未来最终会取代硅基芯片，但直到现在还没有实现。碳基芯片性能确实超越了同规格的硅基芯片，但制作工艺还远远不如硅基芯片成熟。大家都是摸着石头过河的架势，我国属于比较超前的位置，一旦有所突破，将来可能不是弯道超车，而是直道超越。我国甚至将碳基材料纳入国家原材料工业“十四五”规划，近几年更是涌现了很多碳基芯片相关企业。

碳基芯片商用很远，但碳基芯片的未来确实很值得期待。

以上个人浅见，欢迎批评指正。

感觉很难，我理解最大的问题是效果能比硅好多少，以及成本能降低多少，还有工艺的可行性。

碳和硅都是半导体材料，芯片也都是基于晶体管制成的，理论上单壁碳管的迁移率比硅高，但在大规模制造时，很难说，碳管和硅还不一样，不太能用传统提拉法制造大的超纯单晶硅然后切割成硅片，然后一个个构造出晶体管。因为单晶硅的非常高的均匀性，所以每个器件性质都一样。但碳管很可能是自下而上方法，先做成很多碳管，再组装成器件。这组装一定程度上限制了碳管的性能均匀性，而这对超大规模集成电路影响很大。没有办法做到超大规模均匀，基本上不可能商用。即便做出芯片，性质也比单独碳管的要低很多，这能不能比现有的硅芯片更好就很难说了。

成本上，碳管提纯难度应该很大，尤其是要做的五个九以上，而且还要考虑属性，层数，手性，以及每根碳管的长度均匀性，复杂的提纯技术绝对会让成本大范围提高，虽然目前做碳管研究不计成本，可是要商用成本肯定是第一要素。

最后一直觉得工艺上很难实现，碳管太脆弱了，尤其是单壁管，任何的等离子加工，镀膜，刻饰都会对碳管造成破坏，这需要开发非常多的极其温和的加工技术，而这目前很难，尤其在小尺寸下，几个nm范围内。

一个新的技术出来，不是说他研究出来了就能用的，实验室产品和工业生产之间还还距离十万八千里。还有最重要的生态建立，这需要时间和金钱的堆积与投入，没有成熟的生态，那就是噱头

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

---