我國(guó)碳基半導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展速度是怎么樣的

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?！?微米級(jí)碳納米管集成電路平臺(tái)工藝開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究”的驗(yàn)收，標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)正式進(jìn)入碳基芯片領(lǐng)先的時(shí)代。碳基芯片橫空出世，中國(guó)芯片開(kāi)啟彎道超車(chē)。

北京大學(xué)電子系教授彭練矛帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功使用新材料碳納米管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。硅是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體 材料。碳、硅兩種元素在地球上的含量都可謂豐富。

然而，碳元素在地球上的含量卻是要多于硅元素。碳納米管晶體管的制造步驟相當(dāng)于硅材料晶體管的一半。碳基芯片所需的材料種類(lèi)比硅芯片少。長(zhǎng)期以來(lái)，整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)遵循摩爾定律，不斷縮小晶體管尺寸以提升其性能。而業(yè)界認(rèn)為，摩爾定律將在2020年左右達(dá)到終點(diǎn)，即硅材料晶體管的尺寸將無(wú)法再縮小，芯片的性能提升已經(jīng)接近其物理極限。

目前，全球集成電路芯片的器件中有約90%都源于硅基CMOS技術(shù)，而國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)線路圖（ITRS）委員會(huì)首次明確指出在2020年前后硅基CMOS技術(shù)將達(dá)到其性能極限。在此背景下，人們一直在尋找能夠替代當(dāng)前硅芯片的材料，碳納米管就是主要的研究方向之一。美國(guó)斯坦福大學(xué)、IBM公司的研究人員都在致力于該領(lǐng)域的研究。一直以來(lái)，芯片都是中國(guó)科技領(lǐng)域的短板，中國(guó)每年芯片消耗量巨大，且其中超過(guò)90%依賴(lài)進(jìn)口。盡管中國(guó)是世界最大的半導(dǎo)體消費(fèi)國(guó)，目前國(guó)產(chǎn)芯片的自給率尚不足三成。據(jù)專(zhuān)業(yè)研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，2015年中國(guó)大陸芯片產(chǎn)業(yè)進(jìn)口花費(fèi)高達(dá)2307億美元，是原油進(jìn)口總額的1.7倍。

這么龐大的市場(chǎng)，再加上中國(guó)的高科技已經(jīng)被美國(guó)掐住了喉嚨，隨著硅材料的物理性能走向極限，碳基芯片的科研突破給中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)提供了換道超車(chē)的可能。彭練矛在2000年之前就開(kāi)始研究碳納米管晶體管，至今已近20年，彭練矛堅(jiān)信，碳納米管晶體管技術(shù)的突破對(duì)于中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)意義深遠(yuǎn)。“碳納米管晶體管比同尺寸的硅基晶體管速度快5到10倍，功耗只有其十分之一?！?“我們的碳納米管晶體管研發(fā)技術(shù)領(lǐng)先世界，中國(guó)巨大的市場(chǎng)和雄厚的資金更是為我們提供了廣闊前景。”彭練矛說(shuō)彭練矛表示，今年北大團(tuán)隊(duì)將基于碳基技術(shù)做出幾千門(mén)級(jí)的通用CPU，這相當(dāng)于英特爾上世紀(jì)70年代第一款商用CPU，明、后年將做出1兆內(nèi)存，接近上千萬(wàn)個(gè)晶體管，達(dá)到英特爾上世紀(jì)90年代水平。

硅基集成電路產(chǎn)業(yè)今天的成就是60多年發(fā)展的結(jié)果，僅英特爾一家在2016年投入的研發(fā)基金就高達(dá)120余億美元。硅基技術(shù)從材料到制備到軟件及整個(gè)生態(tài)的發(fā)展已非常成熟，套用一句俗語(yǔ)，可以說(shuō)碳基產(chǎn)業(yè)相比于硅基產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)可以預(yù)見(jiàn)前途是光明的。彭練矛的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在著手研究碳材料的醫(yī)用傳感器，用來(lái)檢測(cè)血壓、心跳和血糖等生化指標(biāo)。由于碳材料與人體兼容性高，且有良好的柔韌性，這種傳感器可以完美貼合皮膚，讓人感覺(jué)不到它的存在。碳基芯片不僅能表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能，更令人振奮的是，它還可能做硅基芯片所做不到的事情。

由于能耗低，未來(lái)手機(jī)電池續(xù)航能力會(huì)提高。

同時(shí)，安裝了這種高效芯片后，未來(lái)手機(jī)的攝像頭性能也將增強(qiáng)。該團(tuán)隊(duì)還在研究用碳材料打造汽車(chē)輔助駕駛系統(tǒng)中的紅外監(jiān)控?cái)z像頭。夜間安全行駛是輔助駕駛須攻克的難關(guān)之一。由于碳材料在近紅外感光性極好，用在夜視設(shè)備上可以達(dá)到極高清晰度，且對(duì)不發(fā)熱的物體以及濃霧中的物體也能成像，遠(yuǎn)勝于目前常用的紅外熱像儀。威脅下，中國(guó)必將舉國(guó)上下齊心自主研發(fā)攻克核心技術(shù)，既然碳基芯片有望為中國(guó)芯片彎道超車(chē)，那么碳基芯片的核心元器件碳納米晶體管材料就是中國(guó)科技的未來(lái)。

碳納米管材料的龍頭企業(yè)---西藏城投：據(jù)陜西國(guó)能鋰業(yè)有限公司總經(jīng)理彭池介紹，清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)成功制備出單根長(zhǎng)度達(dá)半米以上的碳納米管，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，這也是目前所有一維納米材料長(zhǎng)度的最高值。

目前清華大學(xué)魏飛團(tuán)隊(duì)與上市公司西藏城投聯(lián)手已開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。一旦實(shí)施產(chǎn)業(yè)化發(fā)展西藏城投應(yīng)當(dāng)受益更多。據(jù)科技部網(wǎng)站16日?qǐng)?bào)道，北京市科委組織專(zhuān)家對(duì)清華大學(xué)魏飛團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的“高純度單壁碳納米管及其超級(jí)電容研制”課題進(jìn)行了驗(yàn)收;目前清華大學(xué)已與西藏城投、陜西國(guó)能、日本明電社簽定批量供應(yīng)單壁碳納米管的協(xié)議。近年來(lái)，全球納米材料市場(chǎng)不斷擴(kuò)張，預(yù)計(jì)2020年將迅速增長(zhǎng)到100億美元。

全球范圍內(nèi)只有少數(shù)幾家公司生產(chǎn)商業(yè)用碳納米管產(chǎn)品，國(guó)際市場(chǎng)90%的高純度碳納米管的價(jià)格高達(dá)每克上百美元，一般純度的碳納米管價(jià)格也在60美元/克。清華大學(xué)魏飛、騫偉中教授團(tuán)隊(duì)自2000年起就致力于碳納米管的批量制備與應(yīng)用探索，在復(fù)合材料、能源 轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)領(lǐng)域取得了較大成果。

清華大學(xué)化工系教授魏飛告訴記者，碳納米管是迄今為止發(fā)現(xiàn)的力學(xué)性能最好的材料之一，有著極高的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。其密度只有鋼鐵的六分之一到四分之一，單位質(zhì)量上的拉伸強(qiáng)度，卻是鋼鐵的276倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前人類(lèi)發(fā)現(xiàn)和制造的其他任何材料。碳納米管進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，能制造“拉不斷”的繩子、“扯不破”的纖維布、“打不透”的防彈衣。石墨烯-碳納米管的微觀導(dǎo)電性很好，是電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的“明星”，使用碳納米管作為負(fù)極材料的鋰電池，功率輸出比傳統(tǒng)的鋰離子電池高出10倍，循環(huán)使用壽命超過(guò)數(shù)千次，其超級(jí)電容可以讓手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等待機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)。

作為新材料尖端技術(shù)的石墨烯-碳納米管可使電動(dòng)汽車(chē)的加速性能提高一倍，在國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)的推廣、電動(dòng)自行車(chē)行業(yè)鋰電池替代鉛酸電池的趨勢(shì)下，經(jīng)由碳納米管改良性能的鋰電池消費(fèi)量也將飛躍式增長(zhǎng)。中國(guó)80%的鋰資源以鹵水鹽湖形態(tài)分布在西藏和青海，西藏城投擁有全國(guó)第一、世界第三的西藏阿里地區(qū)，茶卡鹽湖和龍木錯(cuò)鹽湖共計(jì)390萬(wàn)噸優(yōu)質(zhì)上游鋰資源，掌握核心稀缺資源。