有望成为下代芯片材料，碳基芯片的关键在哪？能绕开荷兰光刻机吗

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。

-- CPU的制造工艺和流程 CPU 发展至今已经有二十多年的历史，其中制造 CPU 的工艺技术也经过了长足的发展，以前的制造工艺比较粗糙，而且对于读者了解最新的技术也没有多大帮助，所以我们舍之不谈，用今天比较新的制造工艺来向大家阐述。 许多对电脑知识略知一二的朋友大多会知道 CPU 里面最重要的东西就是晶体管了，提高 CPU 的速度，最重要的一点说白了就是如何在相同的CPU面积里面放进去更加多的晶体管。由于 CPU 实在太小，太精密，里面组成了数目相当多的晶体管，所以人手是绝对不可能完成的（笑），只能够通过光刻工艺来进行加工的。这就是为什么一块 CPU 里面为什么可以数量如此之多的晶体管。晶体管其实就是一个双位的开关：即开和关。如果您回忆起基本计算的时代，那就是一台计算机需要进行工作的全部。两种选择，开和关，对于机器来说即0和1。那么如何制作一个CPU 呢? 以下我们用英特尔为例子告诉大家。 首先：取出一张利用激光器刚刚从类似干香肠一样的硅柱上切割下来的硅片，它的直径约为 20cm。除了 CPU 之外，英特尔还可以在每一硅片上制作数百个微处理器。每一个微处理器都不足一平方厘米。 接着就是硅片镀膜了。相信学过化学的朋友都知道硅(Si)这个绝佳的半导体材料，它可以电脑里面最最重要的元素啊！在硅片表面增加一层由我们的老朋友二氧化硅(SiO2)构成的绝缘层。这是通过 CPU 能够导电的基础。其次就轮到光刻胶了，在硅片上面增加了二氧化硅之后，随后在其上镀上一种称为“光刻胶”的材料。这种材料在经过紫外线照射后会变软、变粘。然后就是光刻掩膜，在我们考虑制造工艺前很久，就早有一非常聪明的美国人在脑子里面设计出了 CPU，并且想尽方法使其按他们的设计意图工作。CPU 电路设计的照相掩膜贴放在光刻胶的上方。照相字后自然要曝光“冲晒”了，我们将于是将掩膜和硅片曝光于紫外线。这就象是放大机中的一张底片。该掩膜允许光线照射到硅片上的某区域而不能照射到另一区域，这就形成了该设计的潜在映像。 一切都办妥了之后，就要到相当重要的刻蚀工艺出场了。我们采用一种溶液将光线照射后完全变软变粘的光刻胶“块”除去，这就露出了其下的二氧化硅。本工艺的最后部分是除去曝露的二氧化硅以及残余的光刻胶。对每层电路都要重复该光刻掩膜和刻蚀工艺，这得由所生产的 CPU 的复杂程度来确定。尽管所有这些听起来象来自“星球大战”的高科技，但刻蚀实际上是一种非常古老的工艺。几个世纪以前，该工艺最初是被艺术家们用来在纸上、纺织品上甚至在树木上创作精彩绘画的。在微处理器的生产过程中，该照相刻蚀工艺可以依照电路图形刻蚀成导电细条，其厚度比人的一根头发丝还细许多倍。 接下来就是掺杂工艺。现在我们从硅片上已曝露的区域开始，首先倒入一化学离子混合液中。这一工艺改变掺杂区的导电方式，使得每个晶体管可以通、断、或携带数据。将此工艺一次又一次地重复，以制成该 CPU 的许多层。不同层可通过开启窗口联接起来。电子以高达 400MHz 或更高的速度在不同的层面间流上流下，窗口是通过使用掩膜重复掩膜、刻蚀步骤开启的。窗口开启后就可以填充他们了。窗口中填充的是种最普通的金属－铝。终于接近尾声了，我们把完工的晶体管接入自动测试设备中，这个设备每秒可作一万次检测，以确保它能正常工作。在通过所有的测试后必须将其封入一个陶瓷的或塑料的封壳中，这样它就可以很容易地装在一块电路板上了。 目前，单单 Intel 具有 14 家芯片制造厂。尽管微处理器的基本原料是沙子(提炼硅)，但工厂内空气中的一粒灰尘就可能毁掉成千上万的芯片。因此生产 CPU 的环境需非常干净。事实上，工厂中生产芯片的超净化室比医院内的手术室还要洁净1万倍。“一级”的超净化室最为洁净，每平方英尺只有一粒灰尘。为达到如此一个无菌的环境而采用的技术多令人难以置信。在每一个超净化室里，空气每分钟要彻底更换一次。空气从天花板压入，从地板吸出。净化室内部的气压稍高于外部气压。这样，如果净化室中出现裂缝，那么内部的洁净空气也会通过裂缝溜走－防止受污染的空气流入。 但这只是事情一半。在芯片制造厂里，Intel 有上千名员工。他们都穿着特殊的称为“兔装”的工作服。兔装是由一种特殊的非棉绒、抗静电纤维制成的，它可以防止灰尘、脏物和其它污染损坏生产中的计算机芯片。这兔装有适合每一个人的各种尺寸以及一系列颜色，甚至于白色。员工可以将兔装穿在在普通衣服的外面，但必须经过含有 54 个单独步骤的严格着装程序。而且每一次进入和离开超净化室都必须重复这个程序。因此，进入净化室之后就会停留一阵。在制造车间里，英特尔的技术专家们切割硅片，并准备印刻电路模板等一系列复杂程序。这个步骤将硅片变成了一个半导体，它可以象晶体管一样有打开和关闭两种状态。这些打开和关闭的状态对应于数字电码。把成千上万个晶体管集成在英特尔的微处理器上，能表示成千上万个电码，这样您的电脑就能处理一些非常复杂的软件公式了

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