碳基半导体芯片外国进展如何？

事实上，碳基半导体晶体管最先是由美国与荷兰科学家在1998年制造出来的，截止到2006年之前，我国在碳纳米管晶体管上并没有明显的建树。可以说，我国对碳纳米管晶体管的研究开始于2000年，7年之后才制备出了性能超越硅晶体管的N型碳纳米管晶体管。由此可知，国外的碳纳米管晶体管的研究要比我们早的多，但是到了今天我们与国外的差距远没有硅晶体管那么大，甚至有超越国外的趋势。

总体而言，国外对碳纳米管晶体管的研究，还是比我们要领先的。在2013年，MIT研究团队发表了由178个晶体管组成的只能执行简单指令的碳纳米管计算机。在2019年，MIT团队已能制造完整的由14000个碳纳米管晶体管组成的处理器了。而国内于2017年制造了基于2500个碳纳米管晶体管的处理器，整体性能相当于因特尔4004的水平。至于在2019年国内是否研发出了集成更多碳纳米管晶体管的处理器，目前尚未有报道。

由于碳纳米管较容易聚合在一起，所以MIT团队利用了一种剥落工艺防止碳纳米管聚合在一起，以防晶体管无法正常工作。要知道MIT团队制造的CPU主频只有1Mhz，早期的80386处理器的频率还有16Mhz，也不是说2019年碳纳米管制造的计算机性能，仅相当于1985年制造的硅晶体管处理器的性能，这差距就太大了。离实用化，还有较长的一段路要走。因为碳纳米管晶体管之间的沟道和碳纳米管晶体管的体积过大，导致碳纳米管晶体管可以容纳的电流较小，容纳得电荷较少。MIT制造的由14000个碳纳米管晶体管组成的处理器中的沟道宽度为1.5微米，与现在纳米级相距较远。也只有缩小碳纳米管晶体管的体积和减小沟道的距离，才可以提升整体性能。

但是国内于2017年，就研制出了栅长为5纳米的碳纳米管晶体管，近日又研发出了栅长3纳米的碳纳米管晶体管。可以说，国内在碳纳米管晶体管的小型化上走的比较远。在2007年左右，国内以碳纳米管晶体管制造的处理器主频就高达5Ghz，要比国外2019年制造等我处理器主频高的多。从国外的相关产品来看，其碳纳米管栅长究竟达到了何种地步，也说不准。只不过，由此可知，在碳纳米管的研发上，国内技术最起码不会差国外技术太多，很有可能是同步发展的。

【碳基半导体芯片真的能够助力我国芯片突破西方禁锢？从此不依赖ASML吗？】

我们应该看到了近期的新闻，2020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！ 该消息一出，瞬间引起了我们的关注，于是我们扎堆的认为， 碳基半导体芯片一定能够助力我国芯片的突破，打破西方禁锢？从此不依赖ASML。

了解现状——西方国家垄断的是硅基材料，而这些硅基材料在我国，我们的优势非常的低；一些关键性的材料还是倍国家技术给垄断的。而此时，我们想要打破束缚，就必须要寻找新的思路，于是出现了我们期待的：碳基半导体能否替代未来的硅基材料呢？

其实，有专家表示，北由于碳分子结构稳定，很难像硅材料一样通过掺杂其他物质改变性能。因此，碳纳米管要实现产业化，尚有很长一段路要走。不过，如今，北京元芯碳基集成电路研究院的突破确实给了我们很大的希望。

碳基半导体具有成本更低、功耗更小、效率更高。如果能够打破硅基半导体材料的束缚，走出一条全新的碳基半导体路，我们的芯片发展可能更有意义。

其实，以碳纤维(织物)或碳化硅等陶瓷纤维(织物)为增强体，实际上，我们熟知的石墨烯，生物碳以及碳纳米管等等都属于碳基材料。因此，想要碳基材料真正的运用与我们的实际，确实还是有一段路走，可是我们也已经进了一步了。

在芯片处理中， 碳基技术芯片 速度提升，功耗降低，未来更能够运用于多种领域，比如国防，气象，以及我们现在急需要解决的手机芯片，计算机芯片问题。这里我们得知道，相比国外技术， 我国对于碳基技术研究时间早，目前的技术是基于二十年前彭练矛院士提出的无掺杂碳基CMOS技术发展而来。

因此，我们不担心倍国外的技术给限制，因为我们的技术具有前瞻性，确实我们的芯片技术目前还是受限制，特别是ASML的光刻机，因为缺乏技术，在工艺制程方面受到制约。

因此，我们猜测的是，碳基材料未来很有可能打破ASML光刻机的束缚，打破欧美国家芯片的束缚，打造属于我们的芯片技术。

谢谢您的问题。碳基芯片在全球范围内还在朝量产迈进。

碳基芯片目前处于实验室阶段。 IBM和英特尔已经碳基在理论进行了多年的 探索 ，英特尔无果而放弃。IBM与英特尔退而求其次，用的是“掺杂”工艺制备碳纳米管晶体管。在国内，彭练矛和张志勇教授团队在半导体碳碳基半导体材料制备方面取得了研究重大进展，已经领先于全球，但也只是朝产业化进一步迈进。

实验室的成果离现实还很远 。全球碳基芯片真正要实现落地、商品化，除了雄厚的资金，必须要有现有的芯片兼容，直接借用现有半导体产业流程工艺，就可以大大加快碳基芯片产业化进程。

碳基技术需要企业参与 。北京碳基集成电路研究院以前在碳基技术上走在了前列，未来10年发展至少需要20亿元研发投入，这需要企业产研对接，需要企业认识其中的价值。阿里巴巴、腾讯都计划投入数千亿元用于新基建，参与到云服务和芯片全线布局，希望这样的 科技 龙头企业参与“碳基”集成电路，有助于缩短国内碳基技术的商用时间，站在全球视角， 科技 企业及早介入非常重要。

欢迎关注，批评指正。

首先，国外的研究并没有啥进展，因为没有企业投钱，高通的芯片利润这么高，谁会把大把的钱投到一个还不知道成不成功的项目上？

处于 探索 期，技术还远不成熟，距成熟产品路还很远。

我们先说说碳基芯片是不是靠谱的。

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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