5月22号，《科学》杂志发表了一篇来自北京大学的研究进展，北大的张志勇-彭练矛教授课题组制备出了一种高密度、高纯度的半导体碳纳米管阵列。并且以此为基础，首次制作出了性能超越同等条件下传统硅芯片的碳纳米管器件。这一项成果，预示着用碳材料取代现有的硅材料，来制作下一代芯片的技术思路，距离实用化又近了一大步。
上面这段描述，有很多专业名词。不熟悉芯片技术的读者，听了之后可能有点迷糊。因此，我想带你站在芯片发展的 历史 ，来看一下这项研究背后的来龙去脉。
你很自然地就会有一个疑问——为什么今天一部分科学家迫不及待地想要抛弃硅材料呢？要知道用硅来制作芯片已经半个多世纪了，就连芯片的诞生地都被叫做硅谷。
这背后的原因，我们其实此前也反复讲过，就是摩尔定律。摩尔定律的表达方式很多，简单来说就是，根据产业经验，芯片的性能每12-18个月就要翻一倍。虽然这只是一条产业经验，不是什么科学原则，但是从1965年被提出以来，就一直在指导芯片的发展。
在这半个多世纪的时间里，延续摩尔定律最主要的手段之一，就是把芯片里面最基础组成的单元——也就是硅片上的晶体管越做越小。所以你听到的所谓22nm、14nm、10nm、7nm这些芯片，里面这个多少纳米指的就是芯片里面以硅材料为基础的晶体管的大小。
但是话又说回来，摩尔定律毕竟不是一条科学法则，把硅片上的晶体管越做越小是会遇到物理极限的。这个极限尺度具体是多少，产业界其实也一直在摸索。最近我刚好请教过一些业内资深的工程师，目前他们感觉硅材料芯片的极限制程差不多是在2nm到1.5nm。
在这个极限尺度之后，通过缩小晶体管来延续摩尔定律的思路，就不行了。至于硅晶体管为什么不能更小的原因，简单来说，就是因为硅的一些特性，如果晶体管太小，出故障的概率就会急剧升高，把芯片里面上百亿个晶体管协调起来一起工作就非常困难。
那既然把晶体管变小的这个思路不能用了，可是祖师爷的摩尔定律又不能丢，怎么办呢？如何延续摩尔定律，可以说是当今芯片产业的天字第一号问题。怎么解决这个问题，如今呢就有很多流派。其中很重要的一个流派，就是说我们干脆换个材料吧，不要再用硅做晶体管了，用碳材料。
为什么这些科学家认为可以用碳元素呢？其实啊，这跟碳元素本身很多优质的特性有关。比如，用碳纳米管做的晶体管，它的电子迁移率可以是硅的1000倍，通俗来说就是碳材料里面电子的群众基础更好。再比如，碳纳米管里面的电子自由程特别长，通俗的理解就是电子的活动更自由，不容易摩擦发热。
由于这些底层的优点，用碳来做晶体管，甚至不用像硅晶体管那么小，就可以取得同等水平的性能。比如美国国防部2018年支持的一项研究，就希望用90nm规格的碳芯片，实现7nm规格的硅芯片同等的性能。
这里再补充一句，即便是用碳来做芯片，也是有很多思路的。不过坦率地说，这些思路大部分还都处在 探索 阶段。而最接近实用化的，就是北京大学这项研究中涉及的碳纳米管芯片这个领域。
早在2013年，美国斯坦福大学就制造出了第一台碳纳米管计算机；而到了2019年8月，美国麻省理工学院发布了全球第一款碳纳米管通用计算芯片，里面包含14000个晶体管。《自然》杂志当时连发三篇文章推荐这项成果，可见当时的轰动性。
不过你可能也听出来了，即便是去年麻省理工学院发表的这项轰动性的研究，也只包含14000个碳晶体管。这比起现在手机芯片里面动不动就上百亿个晶体管的规模，还差着很远——究竟是哪出了问题呢？
这里面的症结，就在制造工艺四个字上。要想制造出性能比肩商用器件的碳纳米管芯片，一个重要的前提就是你得能制造出，高纯度、高密度、排列整齐的碳纳米管阵列。
一旦碳纳米管阵列的纯度、密度不够高，或者排列不整齐，就很难可靠地制造出上亿个晶体管这种规模的商用芯片，因为保不齐哪个晶体管就会出现故障。麻省理工在2019年发布的这项研究，所用到碳纳米管阵列的纯度只有四个九，也就是99.99%。而人们猜测这个纯度至少应该在六到八个九的时候，才能够让碳纳米管芯片的性能比肩传统芯片。
讲了这么半天，就要说到北京大学上个月的这项研究了。北大张志勇-彭练矛教授的科研团队，通过独创的制备工艺，在4英寸的基底上，制备出密度为120/μm、纯度高达六个九，也就是99.9999%的碳纳米管阵列。在密度和纯度这两个重要的指标上，比过去的类似的研究高出了1-2个量级。
并且基于这种高品质的碳管阵列，研究人员还批量制作出了相应的晶体管和环形振荡器来验证这种新工艺的批量生产潜力。实验发现，这些晶体管和环形震荡器的性能，首次超过了同等尺寸下的传统硅芯片里面的器件，证明了碳芯片确实有可能比硅芯片更强。
碳纳米管芯片一旦在未来走向产业应用，由于在功耗和性能上的优势，很有可能应用在手机和5G基站这样的场景中。甚至在人体内部、国土边疆，还有太空这样对于能耗要求比较苛刻的场景，也有广泛的应用潜力。比如，芯片的能耗如果能够继续下降两个量级，就可以利用像是人的体液、体温这类非常细微的能量来源进行供电，使用的场景会比现在的消费电子产品更加广阔。
特别值得一提的是，这项研究的通讯作者彭练矛院士，在碳基纳电子领域深耕将近20年。他为我国保留了在芯片领域碳纳米管芯片这条赛道上，换道超车的可能性。这也是我在本月为你推荐这项进展的原因。
本月的硬 科技 报告就到这里，我们下一期再见！
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
欢迎分享，转载请注明来源：内存溢出
微信扫一扫
支付宝扫一扫
评论列表（0条）