什么是碳基芯片？“碳基芯片”会取代硅基芯片吗？

碳基芯片一般来说就是以碳基材料制作的碳纳米晶体管芯片。相比于传统的硅材料芯片，碳材料的电子特性似乎更加优越，而且随着硅材料芯片的极限制程即将面临瓶颈，在材料、技术和设计等方面都会出现物理限制，制造微小芯片的工艺难度也会增大，想要更加深入发展和研发芯片，寻找新的材料似乎已经是必需的，这时候特性优越的碳基材料会是一种非常不错的选择。关于碳基芯片的消息也一直广为流传，也被很多人认为以后很可能会取代硅芯片，就让我们拭目以待吧。尽管最近这些年我国的科技发展水平已经得到很大提高，特别是在半导体行业中取得了不少进步和突破，不过距离欧美发达国家仍然有不小差距，特别是在半导体领域，一些关键的核心领先技术依然掌握在欧美国家手中，这对于我们来说，发展半导体技术任重而道远。美国之所以能够对华为的不断打压限制，就是因为他们站在技术高点，这对于我们的科技发展造成了很大的阻碍，想要完成突破和封锁就只能迎难而上。如今我国的半导体制造行业正面临着被“卡脖子”的状况，我国在半导体材料、设计到生产的这一全产业链中缺乏核心技术以及较好的研发能力，很长时间以来都只能购买欧美的芯片。虽然这些年来我们已经很努力地去追赶，但是国内的半导体设计和制造工艺还未能达到先进水平，只能去买别人的东西，而且连最先进的光刻机我们想买都买不到。这样受制于人的情况，长期下去对我们是很不利的，别人一旦封锁和限制，我们就会举步维艰，就会阻碍我国实现现代化进程，提升自研芯片的技术水平势在必行。如今随着我国科学家在碳基芯片领域的不断摸索，已经是取得了一定的进展和突破，而且据说碳基芯片的性能会比硅基芯片性能要更加突出，这对于陷入困难局面的我国芯片行业来说是个好消息，如果能够在碳基领域得到发展和领先，或许可以对欧美半导体技术实现弯道超车，摆脱对于别人的技术依赖。不过想要用碳基芯片取代硅基芯片也还没有那么容易，虽然现在能够在实验室中制造出碳晶体管，但是想要拼接组合形成芯片量产还需要做大量的研制，将碳晶体管排布在晶圆片同样需要高精尖的技术才行，很多技术障碍仍然需要去攻克，因此想要完成商业化量产，还需要更多耐心和努力。不过相信我们的科学家，一定可以在未来完成更多的突破。

不论是碳基集成电路还是硅基集成电路，一般人了解这个根本没什么用处，即使其了解了一些碳基集成电路和硅基集成电路的知识，想跟周围的朋友们吹牛，也没人对这类知识也不感兴趣，并且掌握这类知识对于普通人来说，升职加薪毫无用处。

若对集成电路感兴趣，建议还是学一下各种集成电路的应用，以及如何更好的用集成电路来设计电子产品。

芯片一直是国内 科技 业界关心我的热门话题之一，尤其是华为最近在芯片禁令上受到的困扰，让人们更深刻的意识到，芯片技术自主可控的重要性。

近日，关于 “碳基芯片” 的消息在业内流传，据悉，碳基集成电路技术被认为是最有可能取代硅基集成电路的未来信息技术之一。有消息报道称，北京大学电子系教授彭练矛带领团队采用了全新的组装和提纯方法，制造出高纯半导体阵列的碳纳米管材料，制造出芯片的核心元器件 —— 晶体管，其工作速度 3 倍于英特尔最先进的 14 纳米商用硅材料晶体管，能耗只有其四分之一。该成果于今年初刊登于美国《科学》杂志。

（图片源自 OFweek 维科网）

什么是 “碳基芯片”

很多人听说过 “硅基芯片”，但对 “碳基芯片” 的概念还是比较陌生。在了解 “碳基芯片” 之前，我们首先要弄清楚为什么会出现这种理论技术。

20 世纪五、六十年代，集成电路发展开始提速，这是通过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的晶体管、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊接封装在一个管壳内。以单晶硅为主的半导体集成电路，已经变得无处不在，成为整个信息技术的强大支柱。

进入 21 世纪以来，人们为了提高芯片性能，一直按照 “集成电路上可容纳的晶体管数量大约每隔 18 个月便会翻一番，性能也将提升一倍” 的规律提高单个芯片上晶体管的数量。但芯片尺寸越小，相关工艺难度也越高，尤其是在进入纳米级别后，来自材料、技术、 器件和系统方面的物理限制，让传统硅基芯片的发展速度开始减慢。

因此，人们开始寻找新的方向、新的材料来替代硅基芯片，而采用碳纳米晶体管就成为了两种比较可行的方案之一。为什么选择碳元素，这与其本身很多优质的特性有关。

资料显示，用碳纳米管做的晶体管，电子迁移率可达到硅晶体管的 1000 倍，也就是说碳材料里面电子的群众基础更好；其次，碳纳米管中的电子自由程特别长，即电子的活动更自由，不容易摩擦发热。

理论上来说，碳晶体管的极限运行速度是硅晶体管的 5－10 倍，而功耗方面，却只是后者的十分之一。也就说，在更加宽松的工艺条件下，碳晶体管就能取得与硅晶体管同等水平的性能，这也是所谓 “碳基芯片” 出现的原因。

取代硅基芯片？没有那么简单

随着这些年碳纳米管及纳米材料研究的深入，相关工艺日趋成熟，实验室中也成功地制造出碳晶体管，但是想要把这些单独的碳晶体管大规模的组合连接在一起形成一块完整的芯片，还是一件很困难的事情。

目前科学家们已经通过化学方法，把单个的碳纳米管放置在硅晶片上想要放的特殊沟道里，但相比于芯片中能放置上千万个硅晶体管的数量，科学家们最多只能同时放置几百个碳纳米管，远远无法投入商业化。其次，要想把碳晶体管排布在晶圆片上，需要更加精准的刻蚀技术。

有不少人认为，碳纳米管技术会在接下里的十年里准备就绪，成为取代硅材料之后的芯片材料，届时 “碳基芯片” 也将会成为未来的主流芯片。但硅基芯片好歹发展了这么多年，有那么容易被取代吗？

有曾在 Fab 晶圆厂待过的工程师朋友告诉笔者，所谓的碳晶体管没法量产，最大的原因在于，碳元素太活泼了而且介电常数又低。此外，技术障碍只是一方面，成本及成品率的问题同样难以克服。

早在去年 9 月，美国 MIT 团队就开发出了第一个碳纳米管芯片 RV16XNano，并执行了一段程序输出：“hallo world！”

据悉，这个碳纳米管芯片内部拥有 14000 个晶体管，具备 16 位寻址能力，采用 RISC－V 指令集，但其相比当前的芯片来看，性能并不突出。其芯片频率仅 1MHz，大约是 30 年前的水平。再看看现在硅基芯片大佬们坚持的路线，从 10nm 到 7nm，再到 5nm／3nm，他们始终坚信硅基芯片还有继续突破的空间。

碳基芯片可以补充硅芯片不足，开拓一定市场，替代还早，更莫谈打破摩尔定律，硅片己经打破摩尔定律，好日子到头。

成功了在说

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。

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