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！
芯片研究最近已成为中国技术发展的主要问题。 特别是对于某些公司而言，当他们失去芯片时，他们的产品就失去了优势。 美国对芯片实施严格控制后，无数中国科学家投资了芯片研发。 他们中的许多人来来往往都希望共同解决困扰中国发展的芯片问题，但是却出现了令人惊讶的现象。 在芯片研发领域，除了备受推崇的老一代科学家外，还有年轻的科学家。 也在为中国芯片产业的发展贡献自己的知识和能力，并在中国芯片产业中大放异彩。 中国不能克服哪些困难？
在从事芯片研究的科学家中，我看到了一位出色的女科学家， 她是这支球队中最好的，但只有32岁，她可以依靠自己的力量来帮助中国，她为筹码的发展做出了一些贡献， 这个人是黄芊芊，他是北京大学的才华横溢的女孩，她年轻时的成就是什么，为什么她可以参加前沿的芯片研究，今天让我们来谈谈，一位杰出的女科学家黄芊芊，江西人，从小就对学习很感兴趣， 她的父母坚信读书可以改变自己的命运，因此他们使用指导方法让黄谦谦学会独立学习，因此她的成绩在同龄人中也非常好，高中毕业后，她以优异的成绩考入北京大学信息科学与技术学院， 她的卓越成就使她的父母为她感到骄傲。
在北京大学学习的四年中，黄谦谦在各个学科上的成就都很出色，在学习过程中，她还接触到许多前所未有的新知识，尤其是半导体领域的新知识，这使她感到特别， 她还对半导体感兴趣，并希望对半导体做进一步的研究，因此，黄谦谦在北京大学完成学业后，没有选择在国外工作或学习，她曾经出国学习，是否曾在该国继续深造，她不确定出国留学是否有意义，她检查了很多信息并做了很多比较，最后她 决定留在母校北京大学深造，因为她认为家庭教育环境也很好，并且可以在国内很好地发展。 网络是如此发达，知识的流通量很高。
黄芊芊凭借着资金沉迷于半导体研究， 2017年，年仅28岁的黄芊芊入选“未来女性科学家计划”奖，成为该奖项设立以来的第一个微电子领域， 年轻的学者，这个奖项非常丰富，因此她受北京大学邀请成为微纳电子学系的研究员和博士生导师， 在这个年龄段，许多人仍在为自己的事业而苦苦挣扎，黄谦谦已经成为博士生导师，站在北京大学的讲台上，在中国培养了新一代的半导体行业从业人员，并开始了自己的另类人生。
同时，老师黄芊芊并没有停止她在半导体领域的研究，黄芊芊参与了“超低功耗微纳米电子器件的基础研究”“在该领域，她在研发方面做出了重大贡献，因此她获得了IEEE电子设备协会的青年成就奖，但是她以低调的方式回到实验室后继续下一次工作，对于她来说，这个奖项是对她可以逐步积累超过十年的科学研究成果的肯定，但这只是她自己的科学研究之路的开端，而且将会有更多的 未来的高质量科研成果，自信而谦虚的黄芊芊带领她的团队继续前进，除了这些专业以外，黄谦谦还取得了优异的学术成绩，据不完全统计，黄谦谦共发表论文60余篇，其中第一篇。 相应的作者身份在微电子IEDM和VLSI领域的顶级国际会议上发表了9篇论文，她已申请或合作了70多项专利，其中国际授权了10多项专利，国内授权了40多项专利。
随着“出国热”的普及，越来越多的人选择以出国深造为由完成学业后离开中国定居， 中国在培养国外的尖端人才方面，黄芊芊以自己的力量证明，出国留学是无法取得成功的， 中国的教育能力并不逊色于外国，发展中的中国也将拥有先进的技术，先进的设备和强大的国力 ，因为我们有许多像黄芊芊这样的杰出科学家，他们内心坚定，目标明确，并携手合作，共同建设一个更好的中国， 有了这些杰出的科学家，我们的中国将变得越来越强大，你怎么看？
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