電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）從2017年北京大學(xué)彭練矛團(tuán)隊(duì)首次制備出了5納米的高性能碳晶體管，國內(nèi)的半導(dǎo)體圈子就一直在盛傳碳基芯片，近來這種討論再次鼎沸。原因無外乎兩個(gè)，一方面摩爾定律的推進(jìn)放緩已成事實(shí)，雖然晶圓代工廠在不斷更新制程數(shù)據(jù)，但性能和功耗都早已脫離了原來的路線；另一方面國產(chǎn)芯片在硅基芯片領(lǐng)域受阻嚴(yán)重，目前EUV光刻機(jī)這種關(guān)鍵設(shè)備根本無法進(jìn)入中國大陸，一段時(shí)間內(nèi)國產(chǎn)芯片制造工藝停滯不前是可以預(yù)見的。

圖源：nature雜志

近兩日，國內(nèi)的學(xué)者和自媒體再次引爆碳基芯片話題，推崇和質(zhì)疑又紛至沓來。輿論的兩極化讓碳基芯片的發(fā)展蒙上了一層輕紗，聲色誘人，又似有“天生頑疾”。

從定義上看，碳基芯片是指以碳納米管、石墨烯等材料為核心的芯片，相較于硅基芯片，碳基芯片在理論上有著1000倍的電子遷移性能，有更高的傳輸速率、更低的成本和更低的功耗。目前已經(jīng)有研究表明，同等工藝下的碳基芯片在性能方面遠(yuǎn)超硅基芯片。

因此，目前的發(fā)展態(tài)勢是碳基芯片并非會脫離當(dāng)下的芯片產(chǎn)業(yè)，依然會借助現(xiàn)有芯片的制造工藝，目前少數(shù)的試驗(yàn)品證明，碳基芯片確實(shí)更出色。

接下來，我們從彭練矛團(tuán)隊(duì)公開的信息以及其他相關(guān)研究來看一下，碳基芯片到底有何妙處？其先進(jìn)性體現(xiàn)在哪里？

我們在北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院師資隊(duì)伍中看到，彭練矛教授主攻的方向基本是圍繞納米技術(shù)，包括納米電子及功能材料的合成；基于納米材料的高性能電子、光電子器件的制備，器件物理，納米集成電路的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)集成；納米器件在化學(xué)、生物傳感及能源方面的應(yīng)用。因此，彭練矛團(tuán)隊(duì)在碳基芯片上面的研究可能會是從材料到芯片制造到應(yīng)用的全覆蓋。

圖源：北京大學(xué)官網(wǎng)

我們都知道現(xiàn)代芯片的根本是晶體管，那么要做碳基芯片，首先就要用碳材料做出晶體管。2000年，彭練矛團(tuán)隊(duì)就開始著手探究用碳納米管材料制備集成電路的方法，并于7年后，也就是2007年成功研發(fā)出一種碳納米管晶體管的制備方法。

通過采用碳納米管作為溝道導(dǎo)電材料，碳晶體管是由碳原子排列而成的微小圓柱體，比現(xiàn)在的硅晶體管小100倍，也就意味碳晶體管可以做到更小。在此將上述優(yōu)點(diǎn)綜合起來看，也就是專家所講到的，只使用28nm工藝的碳基芯片就會有7nm硅基芯片的等效性能。在實(shí)驗(yàn)室條件下，碳基芯片的功耗表現(xiàn)優(yōu)于硅基芯片5倍，且能效比是硅基芯片的50倍。在三維集成電路上，碳晶體管的優(yōu)勢會更加明顯，理論上的功耗表現(xiàn)會優(yōu)于硅基芯片1000倍。

下圖是北京元芯展示的一種新型的具有超強(qiáng)抗輻照能力的碳納米管場效應(yīng)晶體管，彭練矛-張志勇課題組有參與其中。在此引述一下該項(xiàng)研究的一段描述，在低輻照劑量率（66.7 rad/s）下，晶體管和反相器電路能夠承受15 Mrad（Si）的總劑量輻照。在此基礎(chǔ)上，課題組發(fā)展了可修復(fù)的碳納米管集成電路，結(jié)果表明，經(jīng)受3 Mrad總劑量輻照的離子膠碳納米管場效應(yīng)晶體管和反相器，在100℃下退火10分鐘，其電學(xué)性能和抗輻照能力均得以修復(fù)。

離子膠碳納米管抗輻照晶體管和集成電路輻照修復(fù)效應(yīng)圖源：北京元芯

這項(xiàng)研究無疑證明了碳基芯片具有很好的抗輻照特性。

當(dāng)然，世界上第一個(gè)碳納米晶體管陣列并非誕生在中國，而是由IBM的研究人員制造出來的，并且也不僅僅只有中國在研究碳基芯片，美國同樣很重視，另外作為全球晶圓代工巨頭的臺積電也出現(xiàn)在這個(gè)領(lǐng)域。

在碳基芯片領(lǐng)域有一個(gè)關(guān)鍵問題是，過去很難有辦法很好地控制碳晶體管，那么就無法復(fù)現(xiàn)邏輯電路中的開關(guān)功能，由臺積電首席科學(xué)家黃漢森領(lǐng)導(dǎo)，來自臺積電、斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員通過一種新的制造工藝解決了這個(gè)問題。

過去硅基芯片是將具有較高介電常數(shù)（即高k）的介質(zhì)材料——二氧化鉿沉積在二氧化硅上，但碳納米管不能形成氧化層，于是研究人員又在其中加入了一種中間k介質(zhì)——氧化鋁。這樣碳基芯片就具備了工作的能力。

匯總來看，彭練矛團(tuán)隊(duì)研究出來了無摻雜制備碳晶體管的方法，并于2017年首次制備出了5納米的高性能碳基晶體管，還發(fā)明了一套可以制備排列碳納米管的技術(shù)，排列密度達(dá)到每微米200-250根，通過采用“6個(gè)9”純度的碳納米管材料，滿足了半導(dǎo)體的制備工藝，相關(guān)成果被《Science》發(fā)表。在制造方面，臺積電為首的研究團(tuán)隊(duì)解決了碳基芯片工作的難題，而北京元芯碳基集成電路研究院也攻克了相關(guān)問題，并在2021年12月于北京亦莊舉行了“90 納米碳基集成電路關(guān)鍵工藝研究”課題驗(yàn)收會，嘉賓不僅看到了樣品實(shí)物，還參觀了正在建設(shè)中 90 納米工藝先導(dǎo)線，產(chǎn)品綜合性能等效28nm硅基芯片。

雖然彭練矛團(tuán)隊(duì)通過無摻雜的方式制備出了碳晶體管，臺積電等研究團(tuán)隊(duì)通過進(jìn)一步注入中間k介質(zhì)解決了碳晶體管開關(guān)控制的難題，而且彭練矛團(tuán)隊(duì)和MIT團(tuán)隊(duì)都基于碳晶體管設(shè)計(jì)出了計(jì)算芯片，但這些成果大都是在實(shí)驗(yàn)室中完成，且碳基芯片還有很多待攻克的材料和技術(shù)難題，因此質(zhì)疑者的聲浪并不低于對碳基芯片推崇的人。

第一個(gè)質(zhì)疑是碳活躍的問題，雖然通過特殊的方法能夠用碳納米管制備晶體管，但晶圓代工企業(yè)的員工大都認(rèn)為從實(shí)驗(yàn)室將碳基芯片的制備方法轉(zhuǎn)移到產(chǎn)線，碳分子的活躍性將帶來巨大挑戰(zhàn)，這是一個(gè)量產(chǎn)難題。同時(shí)，碳分子的活躍性也給應(yīng)用帶來了不確定性，下游生態(tài)的搭建阻力更大。此外，碳納米管提純難度大，“6個(gè)9”純度以上的碳基材料是否可量產(chǎn)，或者量產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益是否合理都是未知數(shù)。

第二個(gè)質(zhì)疑是碳納米管相對于硅納米管更小，這本來是碳基芯片的優(yōu)點(diǎn)，可以制備更先進(jìn)工藝的芯片，但正如中芯國際此前提到的，碳基芯片的生產(chǎn)難度更高。中芯國際代表著大陸晶圓制造的最高水平，那么很顯然更小的碳晶體管會成為量產(chǎn)的一個(gè)障礙，要用更小的碳晶體管實(shí)現(xiàn)功能電路無疑需要更先進(jìn)的光刻機(jī)，又回到了老問題上。

第三個(gè)質(zhì)疑也是針對碳材料本身的，一個(gè)是電阻的控制，另一個(gè)防漏電，要成為穩(wěn)定可靠的功能芯片，這兩點(diǎn)是必須要徹底解決的。

第四個(gè)質(zhì)疑是路徑依賴，硅基芯片發(fā)展至今已經(jīng)在材料、設(shè)備、制造和應(yīng)用等環(huán)節(jié)形成成熟的生態(tài)鏈，國內(nèi)的從業(yè)者也是大批大批地涌入這個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)要興起，人才是不可或缺的，在國產(chǎn)硅基芯片都人手不夠的情況下，預(yù)計(jì)只有極少數(shù)的人會參與到碳基芯片的研究中。在這樣的情況下，碳基芯片即便沒有缺陷想另起爐灶也是難上加難。

在學(xué)術(shù)上的質(zhì)疑聲之外，還有一些聲音認(rèn)為，碳基芯片只能存在于學(xué)術(shù)端，無法走進(jìn)產(chǎn)業(yè)，是學(xué)術(shù)工作者“水paper”的手段。

國產(chǎn)芯片在過去一段時(shí)間里經(jīng)常提彎道超車，但開車的人都知道彎道是禁止超車的，不是說不能，而是太危險(xiǎn)了，有著投機(jī)取巧的心理。要超車就需要換道，在芯片發(fā)展上面同樣是這個(gè)道理，要想在芯片上面取得領(lǐng)先，硅基芯片上面的可能性無限趨于零，一個(gè)EUV光刻機(jī)就把我們卡的死死的。

那么要想在芯片上面實(shí)現(xiàn)超越，就需要換條賽道，光量子芯片和碳基芯片等都是全新的賽道，現(xiàn)在我們還無法篤定哪條賽道會成功，因此都不落后于人是至關(guān)重要的。有人質(zhì)疑，高校搞前沿科技是為了 paper 數(shù)量，是為了“攢資本”，這樣的理解過于狹隘了。且不說北京元芯已經(jīng)在推進(jìn)碳基芯片的生產(chǎn)落地，即便沒有，也不能讓“利益論”綁架高校的創(chuàng)新燈塔，科技的進(jìn)步要謹(jǐn)記為有源頭活水來?；衔锇雽?dǎo)體在功率器件、LED等領(lǐng)域取代硅也有一個(gè)過程。

但實(shí)驗(yàn)室水平和應(yīng)用落地之間也隔著層層鴻溝，至少需要確保十年以上的持續(xù)資金投入和政策支持，我們也不能過度吹捧我們的科技創(chuàng)新。所謂捧殺，捧殺，很多事情的失敗不是因?yàn)楦偁幋驂海^渡的輿論發(fā)酵會讓管理者、參與者迷失，最終因?yàn)椴缓侠淼睦硐牒同F(xiàn)實(shí)之間的落差而導(dǎo)致很好的項(xiàng)目胎死腹中。