芯片一直是國(guó)內(nèi)科技業(yè)界關(guān)心我的熱門話題之一，尤其是華為最近在芯片禁令上受到的困擾，讓人們更深刻的意識(shí)到，芯片技術(shù)自主可控的重要性。近日，關(guān)于“碳基芯片”的消息在業(yè)內(nèi)流傳，據(jù)悉，碳基集成電路技術(shù)被認(rèn)為是最有可能取代硅基集成電路的未來(lái)信息技術(shù)之一。

一、什么是“碳基芯片”

20世紀(jì)五、六十年代，集成電路發(fā)展開始提速，這是通過(guò)氧化、光刻、擴(kuò)散、外延、蒸鋁等半導(dǎo)體制造工藝，把構(gòu)成具有一定功能的電路所需的晶體管、電阻、電容等元件及它們之間的連接導(dǎo)線全部集成在一小塊硅片上，然后焊接封裝在一個(gè)管殼內(nèi)。以單晶硅為主的半導(dǎo)體集成電路，已經(jīng)變得無(wú)處不在，成為整個(gè)信息技術(shù)的強(qiáng)大支柱。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，人們?yōu)榱颂岣咝酒阅?，一直按照“集成電路上可容納的晶體管數(shù)量大約每隔18個(gè)月便會(huì)翻一番，性能也將提升一倍”的規(guī)律提高單個(gè)芯片上晶體管的數(shù)量。但芯片尺寸越小，相關(guān)工藝難度也越高，尤其是在進(jìn)入納米級(jí)別后，來(lái)自材料、技術(shù)、 器件和系統(tǒng)方面的物理限制，讓傳統(tǒng)硅基芯片的發(fā)展速度開始減慢。

因此，人們開始尋找新的方向、新的材料來(lái)替代硅基芯片，而采用碳納米晶體管就成為了兩種比較可行的方案之一。為什么選擇碳元素，這與其本身很多優(yōu)質(zhì)的特性有關(guān)。

資料顯示，用碳納米管做的晶體管，電子遷移率可達(dá)到硅晶體管的1000倍，也就是說(shuō)碳材料里面電子的群眾基礎(chǔ)更好；其次，碳納米管中的電子自由程特別長(zhǎng)，即電子的活動(dòng)更自由，不容易摩擦發(fā)熱。

理論上來(lái)說(shuō)，碳晶體管的極限運(yùn)行速度是硅晶體管的5-10倍，而功耗方面，卻只是后者的十分之一。也就說(shuō)，在更加寬松的工藝條件下，碳晶體管就能取得與硅晶體管同等水平的性能，這也是所謂“碳基芯片”出現(xiàn)的原因。

二、我國(guó)碳基芯片的研究與發(fā)展

1997年，北京大學(xué)成立全國(guó)第一個(gè)納米科技研究機(jī)構(gòu)：北京大學(xué)納米科學(xué)與技術(shù)研究中心。2002年，清華大學(xué)吳德海教授團(tuán)隊(duì)和美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院P.M.Ajayan教授合作，首次制備出利用浮動(dòng)化學(xué)氣相沉積方法制備直徑約為300至500微米的碳納米管束。

同年，清華大學(xué)范守善教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了從碳納米管陣列拉絲制備碳納米管纖維的方法。除了這些成就，據(jù)2014年數(shù)據(jù)，我國(guó)有超過(guò)1000家高校和科研所從事碳納米材料研究活動(dòng)，在碳納米材料的研究方面不斷創(chuàng)新。

中國(guó)碳基納電子器件代表研究機(jī)構(gòu)有中科院、北京大學(xué)、清華大學(xué)等。今年5月份，有消息報(bào)道稱，北京大學(xué)電子系教授彭練矛帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)采用了全新的組裝和提純方法，制造出高純半導(dǎo)體陣列的碳納米管材料，制造出芯片的核心元器件——晶體管，其工作速度3倍于英特爾最先進(jìn)的14納米商用硅材料晶體管，能耗只有其四分之一。該成果于今年初刊登于美國(guó)《科學(xué)》雜志。

使用該方法制備的碳納米管純度可達(dá)到99.9999%，陣列密度達(dá)到120/微米。通過(guò)這一技術(shù)，研究人員有望將集成電路技術(shù)推進(jìn)到3nm節(jié)點(diǎn)以下！

▲北大團(tuán)隊(duì)研發(fā)的晶圓級(jí)高質(zhì)量碳管陣列薄膜

此外，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的研究人員在納米碳基材料高效催化一級(jí)醇轉(zhuǎn)化研究中獲得進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)調(diào)控納米碳催化材料的氧化還原能力，可控制一級(jí)醇反應(yīng)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物選擇性的調(diào)控。

利用可再生的生物質(zhì)資源制備精細(xì)化工產(chǎn)品或能源材料有助于解決現(xiàn)代社會(huì)能源枯竭、污染嚴(yán)重的問(wèn)題。將生物質(zhì)原料衍生的一級(jí)醇類化合物(甲醇、乙醇和丁醇等)高值轉(zhuǎn)化為化學(xué)品的新方法和新體系，成為化學(xué)、化工和材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一。

研究人員將碳材料應(yīng)用于丁醇轉(zhuǎn)化反應(yīng)體系中，發(fā)現(xiàn)其本征氧化還原能力取決于碳材料共軛尺寸的大小及雜原子的引入。合理調(diào)控納米碳催化材料的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，即其氧化還原能力，可控制一級(jí)醇反應(yīng)進(jìn)行方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物選擇性的有效調(diào)控。

他們以碳材料催化構(gòu)效關(guān)系研究為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)制備出一種新型石墨烯/氮化硼(BCN)納米復(fù)合催化材料。該材料的特點(diǎn)是石墨烯和氮化硼域共存在同一結(jié)構(gòu)中，二組分在納米尺度的雜化能夠提高復(fù)合材料在氧氣環(huán)境下的熱穩(wěn)定性，且二者間的協(xié)同作用賦予復(fù)合材料更高的催化反應(yīng)活性和目標(biāo)產(chǎn)物選擇性。實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果給出復(fù)合材料催化甲醇轉(zhuǎn)化過(guò)程的反應(yīng)路徑，實(shí)現(xiàn)分子(原子)尺度上對(duì)反應(yīng)過(guò)程的本質(zhì)認(rèn)識(shí)。

三、碳基半導(dǎo)體

隨著這些年碳納米管及納米材料研究的深入，相關(guān)工藝日趨成熟，實(shí)驗(yàn)室中也成功地制造出碳晶體管，但是想要把這些單獨(dú)的碳晶體管大規(guī)模的組合連接在一起形成一塊完整的芯片，還是一件很困難的事情。

目前科學(xué)家們已經(jīng)通過(guò)化學(xué)方法，把單個(gè)的碳納米管放置在硅晶片上想要放的特殊溝道里，但相比于芯片中能放置上千萬(wàn)個(gè)硅晶體管的數(shù)量，科學(xué)家們最多只能同時(shí)放置幾百個(gè)碳納米管，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法投入商業(yè)化。其次，要想把碳晶體管排布在晶圓片上，需要更加精準(zhǔn)的刻蝕技術(shù)。

有不少人認(rèn)為，碳納米管技術(shù)會(huì)在接下里的十年里準(zhǔn)備就緒，成為取代硅材料之后的芯片材料，屆時(shí)“碳基芯片”也將會(huì)成為未來(lái)的主流芯片。事實(shí)上碳晶體管沒(méi)法量產(chǎn)，最大的原因在于，碳元素太活潑了而且介電常數(shù)又低。此外，技術(shù)障礙只是一方面，成本及成品率的問(wèn)題同樣難以克服。

早在去年9月，美國(guó)MIT團(tuán)隊(duì)就開發(fā)出了第一個(gè)碳納米管芯片RV16XNano，并執(zhí)行了一段程序輸出：“hallo world！” 當(dāng)然，盡管碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管（CNFET）比硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管更節(jié)能，但它們目前仍大多存在于實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中。

據(jù)悉，這個(gè)碳納米管芯片內(nèi)部擁有14000個(gè)晶體管，具備16位尋址能力，采用RISC-V指令集，但其相比當(dāng)前的芯片來(lái)看，性能并不突出。其芯片頻率僅1MHz，大約是30年前的水平。

硅晶體管尺寸的不斷縮小，推動(dòng)著電子技術(shù)的進(jìn)步。當(dāng)摩爾定律走到盡頭，硅晶體管縮小變得越來(lái)越困難。以半導(dǎo)體碳納米管為基礎(chǔ)的晶體管，作為先進(jìn)微電子器件中硅晶體管的替代品，與金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）類似，它成為構(gòu)建下一代計(jì)算機(jī)的基本單元。

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