摩爾定律走到盡頭，碳基芯片登上舞臺

芯片一直是國內(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，這是通過氧化、光刻、擴散、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)變得無處不在，成為整個信息技術(shù)的強大支柱。

進入21世紀(jì)以來，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個月便會翻一番，性能也將提升一倍”的規(guī)律提高單個芯片上晶體管的數(shù)量。但芯片尺寸越小，相關(guān)工藝難度也越高，尤其是在進入納米級別后，來自材料、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，電子遷移率可達到硅晶體管的1000倍，也就是說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，即電子的活動更自由，不容易摩擦發(fā)熱。

理論上來說，碳晶體管的極限運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，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、我國碳基芯片的研究與發(fā)展

1997年，北京大學(xué)成立全國第一個納米科技研究機構(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)吳德海教授團隊和美國倫斯勒理工學(xué)院P.M.Ajayan教授合作，首次制備出利用浮動化學(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)范守善教授團隊報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)，我國有超過1000家高校和科研所從事碳納米材料研究活動，在碳納米材料的研究方面不斷創(chuàng)新。

中國碳基納電子器件代表研究機構(gòu)有中科院、北京大學(xué)、清華大學(xué)等。今年5月份，有消息報道稱，北京大學(xué)電子系教授彭練矛帶領(lǐng)團隊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《科學(xué)》雜志。

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

▲北大團隊研發(fā)的晶圓級高質(zhì)量碳管陣列薄膜

此外，中國科學(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醇轉(zhuǎn)化研究中獲得進展。他們發(fā)現(xiàn)調(diào)控納米碳催化材料的氧化還原能力，可控制一級醇反應(yīng)方向，實現(xiàn)對目標(biāo)產(chǎn)物選擇性的調(diào)控。

利用可再生的生物質(zhì)資源制備精細化工產(chǎn)品或能源材料有助于解決現(xiàn)代社會能源枯竭、污染嚴(yán)重的問題。將生物質(zhì)原料衍生的一級醇類化合物(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，可控制一級醇反應(yīng)進行方向，實現(xiàn)對目標(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。實驗結(jié)合理論計算結(jié)果給出復(fù)合材料催化甲醇轉(zhuǎn)化過程的反應(yīng)路徑，實現(xiàn)分子(原子)尺度上對反應(yīng)過程的本質(zhì)認(rèn)識。

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，實驗室中也成功地制造出碳晶體管，但是想要把這些單獨的碳晶體管大規(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)通過化學(xué)方法，把單個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個硅晶體管的數(shù)量，科學(xué)家們最多只能同時放置幾百個碳納米管，遠遠無法投入商業(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“碳基芯片”也將會成為未來的主流芯片。事實上碳晶體管沒法量產(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，成本及成品率的問題同樣難以克服。

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

據(jù)悉，這個碳納米管芯片內(nèi)部擁有14000個晶體管，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，推動著電子技術(shù)的進步。當(dāng)摩爾定律走到盡頭，硅晶體管縮小變得越來越困難。以半導(dǎo)體碳納米管為基礎(chǔ)的晶體管，作為先進微電子器件中硅晶體管的替代品，與金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）類似，它成為構(gòu)建下一代計算機的基本單元。

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