碳基半導(dǎo)體潛在應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)難題

一、碳基半導(dǎo)體潛在應(yīng)用領(lǐng)域

（一）碳基芯片

碳基半導(dǎo)體制造的芯片器件類型與硅基半導(dǎo)體沒有大的差異，可大致將其分為：信息處理芯片、通信芯片和傳感器芯片三類。信息處理芯片包括CPU、GPU、張量處理器（TPU）、嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器（NPU）等，通信芯片包括5G基帶芯片、核心網(wǎng)絡(luò)芯片、信號(hào)處理芯片等。兩者都是未來(lái)人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈和5G等前沿技術(shù)所必需的，對(duì)設(shè)計(jì)精度、工藝制程、集成度和產(chǎn)能都有更高的要求，短時(shí)間內(nèi)難以制造出相應(yīng)的碳基器件。但傳感器芯片一般嵌入物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用，如可穿戴設(shè)備使用的醫(yī)療傳感器芯片，這類芯片對(duì)制程和工藝要求較低，預(yù)計(jì)三至五年內(nèi)就可能商用。

對(duì)芯片制造來(lái)說(shuō)，碳納米管具備優(yōu)秀的性能，但真正利用起來(lái)并不容易，特別是用于制備碳納米管晶體管。極小的碳納米管摻雜處理難度很高，但基于碳納米管的芯片技術(shù)仍取得了相當(dāng)程度的進(jìn)展。麻省理工學(xué)院聯(lián)合ADI公司的研究人員找到一種方法，設(shè)計(jì)出了復(fù)雜的工藝將碳納米管按照需要轉(zhuǎn)化成p型或者n型半導(dǎo)體?；谶@種技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)用14000個(gè)碳納米管晶體管制造出16位處理器RV16X-NANO。該處理器采用RISC-V指令集，可在16位數(shù)據(jù)和地址上運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的32位指令。研究人員利用這一處理器運(yùn)行程序，打出了“你好，世界！我是RV16XNano，由碳納米管制成”。

16位處理器RV16X-NANO

（二）碳基光電器件

碳納米管在推動(dòng)光電器件發(fā)展上具備遠(yuǎn)超硅基材料的特性。傳統(tǒng)的硅基材料是間接帶隙半導(dǎo)體，無(wú)法制備高性能的電致發(fā)光器件。作為一種直接帶隙的半導(dǎo)體材料，碳納米管具有優(yōu)異的光電性能，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電致發(fā)光器件和光電器件。在碳納米管的兩端分別采用鈧和鈀作為接觸電極，使電子和空穴在被注入到碳納米管中時(shí)或面臨零勢(shì)壘（正偏壓條件）或面臨接近碳納米管能隙的很大勢(shì)壘（負(fù)偏壓條件），從而實(shí)現(xiàn)高性能二極管。

碳納米管二極管在光照射下可以激發(fā)出電子空穴對(duì)，并在內(nèi)建電場(chǎng)中被分開，從而實(shí)現(xiàn)高效率的納米光電二極管。但是單個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)的光伏電壓較小，不具備實(shí)用價(jià)值?？蒲腥藛T創(chuàng)造性地發(fā)展了碳納米管級(jí)聯(lián)電池（虛電極）技術(shù)，使單個(gè)二極管的光伏電壓超過1V，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平。研究成果表明在一根碳納米管上可以簡(jiǎn)單地通過選用對(duì)稱電極實(shí)現(xiàn)CMOS器件，構(gòu)建集成電路，通過非對(duì)稱電極（例如兩端分別由非對(duì)稱的n型和p型電極連接的碳納米管）即可實(shí)現(xiàn)紅外納米光源和光探測(cè)器，并可以通過虛電極的引入增加光電壓和探測(cè)效率。納米CMOS器件和光電器件在這個(gè)無(wú)摻雜集成工藝中自然地結(jié)合了起來(lái)，有望為納米電子和光電子電路的開發(fā)提供一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)，而電子和光電子器件的集成，特別是光通訊電路與高性能電子電路的集成有望極大地提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能力，為后摩爾時(shí)代的電子學(xué)帶來(lái)新一輪的繁榮。

（三）柔性電子器件

柔性電子是將有機(jī)/無(wú)機(jī)材料電子器件制作在柔性/可延性基板上的新興電子技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)電子，柔性電子具有更大的靈活性，能夠在一定程度上適應(yīng)不同的工作環(huán)境，滿足設(shè)備的形變要求。除優(yōu)異的電學(xué)性能外，石墨烯和碳納米管的光學(xué)、力學(xué)性能也使其適用于柔性電子器件的制造。其中，石墨烯具有輕薄、透明等特性；碳納米管具有柔韌性好、耐彎曲和疲勞強(qiáng)度高的特性。

碳基半導(dǎo)體材料有望在實(shí)際中滿足多種柔性電子器件的應(yīng)用場(chǎng)景：柔性應(yīng)變/壓力傳感器，該類傳感器通常由導(dǎo)電傳感元件與彈性聚合物或其他柔性/可拉伸基材（如纖維、紗線和紡織品）耦合組成，可通過應(yīng)變/壓力刺激引起的導(dǎo)電元件間接觸電阻的變化，檢測(cè)材料應(yīng)變或外界壓力；可穿戴器件，由于柔性電子器件具有很高的柔性和延展性，可與人體的外形特性和運(yùn)動(dòng)特性相匹配，并完成傳感、顯示等功能，應(yīng)用于消費(fèi)電子、醫(yī)療保健等行業(yè)，柔性能源系統(tǒng)，該類系統(tǒng)的定義為柔性甚至可伸縮的能源裝置，包括超級(jí)電容器、電化學(xué)電池（例如鋰電池、鈉電池和金屬空氣電池）、光伏裝置和發(fā)電機(jī)等；透明導(dǎo)電薄膜類應(yīng)用，該類應(yīng)用包括柔性觸摸板、柔性有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）和柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池等。

柔性電子器件與人體“無(wú)縫貼合”

（四）生物醫(yī)學(xué)傳感器

碳納米管因其獨(dú)特的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能，在生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域有很大用武之地。碳納米管具有一定的吸附性，能與吸附的其他分子發(fā)生相互作用，從而引起宏觀電阻發(fā)生改變，因此可以將碳納米管制作成氣體傳感器，通過測(cè)量碳納米管電阻的變化來(lái)檢測(cè)氣體的成分。碳納米管傳感器與普通傳感器相比具有尺寸小、靈敏度高、反應(yīng)快、表面積大、能在室溫或更高溫度下操作等優(yōu)點(diǎn)，可制成最小生物醫(yī)學(xué)分子級(jí)氣敏元件，應(yīng)用于病人呼吸監(jiān)測(cè)，將會(huì)取得很好的效果。

同時(shí)，碳納米管在應(yīng)力影響下容易發(fā)生網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和直徑變化，甚至螺旋度發(fā)生變化。由于螺旋度變化將影響碳納米管導(dǎo)電性的變化，因此可將碳納米管作為生物壓力傳感器，通過測(cè)定其電子特征的不同來(lái)測(cè)定力學(xué)應(yīng)力的大小。碳納米管傳感器可做成高靈敏的微型設(shè)備，能應(yīng)用于一般壓力傳感器不易傳導(dǎo)的區(qū)域，如血管、淋巴系統(tǒng)、細(xì)胞等。

利用碳納米管的微型、靈敏、便攜帶的特性，將其做成生物醫(yī)學(xué)電磁傳感器注入人體，隨時(shí)監(jiān)控電磁波對(duì)人體的影響，將在很大程度上減少電磁波對(duì)人體的傷害。同時(shí)醫(yī)務(wù)人員通過測(cè)量人體磁場(chǎng)的變化來(lái)判斷人體的生理變化，從而采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行治療。

二、碳基半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)難題

（一）規(guī)模化、低成本制備生產(chǎn)難題

目前碳基材料的主要挑戰(zhàn)來(lái)源于規(guī)模化生產(chǎn)面臨的高可控性材料加工問題，即必須在絕緣襯底上定位生長(zhǎng)出所需管徑大小的碳納米管半導(dǎo)體。網(wǎng)狀薄膜的碳納米管可以避免材料手性和位置控制問題，但是由于其性能的限制，只適合于柔性電子學(xué)等對(duì)器件和電路的速度和集成度要求不高的領(lǐng)域?；谄叫刑技{米管陣列材料的電子學(xué)雖然可以避開位置控制的要求，但是如何規(guī)?；L(zhǎng)致密、均勻的純半導(dǎo)體型碳納米管仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。雖然彭練矛院士團(tuán)隊(duì)在碳基材料制備方面實(shí)現(xiàn)突破，使得碳納米管生長(zhǎng)出現(xiàn)了可控制跡象，但這距離大規(guī)模制備碳納米管還有一定距離，限制其在更多領(lǐng)域開展應(yīng)用。

此外，碳基半導(dǎo)體與硅基半導(dǎo)體的相關(guān)技術(shù)與工藝設(shè)備存在差異，雖然現(xiàn)有的硅基半導(dǎo)體加工設(shè)備有90%可以直接應(yīng)用到碳基中，但部分工藝或設(shè)備需要調(diào)試，才能適配碳基半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)。例如碳納米管材料的清洗、刻蝕等步驟需要特殊處理，碳納米管器件的模型也需單獨(dú)建立。

綜上，碳納米管晶體管尚處于實(shí)驗(yàn)中少量制備的階段，無(wú)法滿足商業(yè)領(lǐng)域?qū)μ技{米管晶體管快速低成本制備需求。未來(lái)，還需進(jìn)一步突破技術(shù)、成本限制，在設(shè)備和器件等工藝方面建立成熟的規(guī)范流程，降低成本，提高穩(wěn)定性，向商用標(biāo)準(zhǔn)邁進(jìn)。就中美碳基半導(dǎo)體整體發(fā)展?fàn)顩r而言，我國(guó)在碳納米管材料以及高性能碳納米管晶體管制備方面領(lǐng)先美國(guó)，但美國(guó)在集成電路產(chǎn)業(yè)生態(tài)上具備優(yōu)勢(shì)，在芯片設(shè)計(jì)工具、三維系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)?；圃斓确矫骖I(lǐng)先。未來(lái)碳基需要與硅基技術(shù)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，因此我國(guó)在碳基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)層面將需要克服比美國(guó)更多的困難。

（二）產(chǎn)學(xué)研合作難題

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)眾多，除材料制備外，還需要設(shè)計(jì)、制造、封裝等眾多工具和環(huán)節(jié)配合，形成生態(tài)鏈。當(dāng)前，以中國(guó)北京大學(xué)彭練矛團(tuán)隊(duì)、美國(guó)麻省理工學(xué)院舒拉克團(tuán)隊(duì)為代表的研究團(tuán)隊(duì)在碳基半導(dǎo)體領(lǐng)域取得一系列階段性進(jìn)展，但半導(dǎo)體生態(tài)鏈的構(gòu)建僅靠實(shí)驗(yàn)室顯然是不夠的，必須實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研合作。

國(guó)外方面，碳基半導(dǎo)體材料研究領(lǐng)先院校美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）在產(chǎn)學(xué)研合作方面做得比較好。MIT團(tuán)隊(duì)的研究，除了有美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局三維芯片系統(tǒng)計(jì)劃和美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的官方支持，還有杜克大學(xué)等高校，以及ADI、SkyWater等半導(dǎo)體公司支持。美國(guó)公司和高校之間交流和流動(dòng)性較好，公司普遍愿意給高校投錢做項(xiàng)目，并會(huì)提出明確目標(biāo)，讓高校定期匯報(bào)進(jìn)度，共同推進(jìn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

在碳基半導(dǎo)體研究上，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院和杜克大學(xué)開發(fā)出工藝設(shè)計(jì)工具包（PDK）和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件，為碳基芯片設(shè)計(jì)和開發(fā)提供軟件支持。ADI和SkyWater公司提供碳基芯片代工，SkyWater更是建造了世界首個(gè)碳納米管90nm芯片代工廠，為碳基芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工藝工程化提供硬件支持。MIT利用上述芯片設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)出包含約64000個(gè)碳納米管晶體管的存儲(chǔ)芯片，并在SkyWater的代工廠進(jìn)行流片。雖然該芯片中存在金屬屬性碳納米管雜質(zhì)過多的問題，但也為碳基芯片產(chǎn)業(yè)化展示了新的可能。

美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）

中國(guó)方面，目前我國(guó)產(chǎn)業(yè)界中愿意跟進(jìn)的企業(yè)不多，產(chǎn)業(yè)界很難在一項(xiàng)技術(shù)還沒看到回報(bào)投資時(shí)進(jìn)行投入，只有工程化、成熟化的技術(shù)，產(chǎn)業(yè)界才敢接手。國(guó)內(nèi)公司更愿意在研究成果成熟時(shí)和高校合作。例如，在通信領(lǐng)域，企業(yè)和高校的合作就較多，因?yàn)檫@些領(lǐng)域一般不涉及“卡脖子”的硬科技技術(shù)，通過改進(jìn)算法或模型，就能出產(chǎn)品。而帶有不確定性的合作，短期內(nèi)很難給公司帶來(lái)盈利，長(zhǎng)期看又存在一定風(fēng)險(xiǎn)，公司就沒有給高校投錢的動(dòng)力。但碳基半導(dǎo)體技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)界，中間還需要進(jìn)行工程化研究，其中面臨的挑戰(zhàn)包括資金的持續(xù)保證、理念的轉(zhuǎn)變以及與現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的兼容等，這些問題只依靠研究團(tuán)隊(duì)是無(wú)法解決的。

以北京碳基集成電路研究院為例，如果該院要繼續(xù)推進(jìn)碳基集成電路發(fā)展，按照該院當(dāng)前200人的規(guī)模，再加上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，每年需要的資金約為2億元，并且需要確保十年以上的資金投入，約為20億元?？紤]到十年中還不斷會(huì)有技術(shù)轉(zhuǎn)讓等創(chuàng)收，實(shí)際投資應(yīng)小于20億元。但是，直到現(xiàn)在還沒有企業(yè)關(guān)注到該研究院的價(jià)值。北京碳基集成電路研究院院長(zhǎng)彭練矛表示，學(xué)術(shù)界完成從0到1的創(chuàng)造之后，從1到無(wú)限的擴(kuò)展必須由政府主導(dǎo)、產(chǎn)業(yè)界配合，才能推動(dòng)這項(xiàng)革命性的技術(shù)真正落地。

（三）逆全球化阻礙全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)合作

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是一個(gè)需要全球化合作的產(chǎn)業(yè)。從產(chǎn)業(yè)鏈角度看，沒有一個(gè)國(guó)家能單獨(dú)把材料、裝備、制造、設(shè)計(jì)、封裝測(cè)試這五個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的主節(jié)點(diǎn)都掌握。從生態(tài)鏈角度看，更需要全球化合作，如果產(chǎn)品沒有需求方，或者類似美國(guó)對(duì)中國(guó)芯片進(jìn)口限制，將會(huì)影響半導(dǎo)體生態(tài)鏈平衡發(fā)展。從技術(shù)角度看，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)的快速迭代需要高強(qiáng)度投資，而高強(qiáng)度投資則需依靠多企業(yè)、多方面合作。然而，當(dāng)今半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)涌動(dòng)著逆全球化思潮，新冠疫情以來(lái)更是表現(xiàn)出愈發(fā)明顯的逆全球化趨向，其中以美國(guó)尤甚。

2017年特朗普剛上任時(shí)，總統(tǒng)科技顧問委員會(huì)就發(fā)布一份名為《如何確保美國(guó)在半導(dǎo)體行業(yè)的長(zhǎng)期領(lǐng)導(dǎo)地位》的報(bào)告。報(bào)告指出，中國(guó)正瞄準(zhǔn)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的全球領(lǐng)導(dǎo)地位，并利用國(guó)內(nèi)穩(wěn)步增長(zhǎng)的半導(dǎo)體消費(fèi)市場(chǎng)放大影響。報(bào)告認(rèn)為美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正面臨威脅，美國(guó)應(yīng)該對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)加以限制。隨后，美國(guó)開始在半導(dǎo)體領(lǐng)域強(qiáng)推逆全球化，迫使一些國(guó)家或地區(qū)站隊(duì)，如限制荷蘭ASML向中國(guó)晶圓廠出售EUV光刻機(jī)；限制日本信越、勝高向中企出售原材料；限制臺(tái)積電給大陸企業(yè)提供代工服務(wù)等等。美國(guó)的這一系列舉措不僅會(huì)割裂全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，還會(huì)引發(fā)其他發(fā)達(dá)國(guó)家效仿。對(duì)于發(fā)展尚未成熟的碳基半導(dǎo)體行業(yè)，未來(lái)還需投入大量人力、物力構(gòu)建全新的生態(tài)鏈，全球化合作將大大加快這一進(jìn)程，而美國(guó)等國(guó)的逆全球化勢(shì)必對(duì)碳基半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展帶來(lái)不利影響。

三、碳基半導(dǎo)體對(duì)產(chǎn)業(yè)的意義

（一）碳基半導(dǎo)體為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)升級(jí)創(chuàng)造良機(jī)

現(xiàn)代電子信息技術(shù)的基礎(chǔ)是集成電路芯片，而當(dāng)前構(gòu)成集成芯片的器件單元幾乎都是由硅基CMOS器件組成。幾十年來(lái)，產(chǎn)業(yè)界對(duì)硅基CMOS器件的發(fā)展策略是不斷縮小關(guān)鍵尺寸，提高集成度，從而實(shí)現(xiàn)功能更加強(qiáng)大、功耗更低、速度更快且成本更低的集成電路芯片。早期的芯片發(fā)展相對(duì)簡(jiǎn)單，只需提升加工精度，根據(jù)等比原則簡(jiǎn)單縮減器件橫向和縱向尺寸，就能實(shí)現(xiàn)性能的大幅度提升。但是近年來(lái)，維持芯片性能快速提升需要不斷引入新的結(jié)構(gòu)和材料，場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)發(fā)展到今天，從最初發(fā)現(xiàn)時(shí)的簡(jiǎn)陋結(jié)構(gòu)演變成如今的主流結(jié)構(gòu)已經(jīng)過無(wú)數(shù)次優(yōu)化，結(jié)構(gòu)和工藝革新對(duì)芯片性能提升效果逐漸下滑。

通過碳基替代完成半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)升級(jí)是一條值得嘗試的發(fā)展路徑，但以硅基為核心的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈成熟而又發(fā)達(dá)，從半導(dǎo)體材料供應(yīng)、設(shè)備制造到應(yīng)用，整個(gè)上下游產(chǎn)業(yè)技術(shù)完全依賴硅基材料及現(xiàn)有的硅基知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。碳基半導(dǎo)體通過對(duì)硅基的底層替代完成半導(dǎo)體的內(nèi)生革命，為整個(gè)半導(dǎo)體芯片發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑選擇。但碳基半導(dǎo)體在初始階段，研發(fā)、制造成本高，工藝不及硅基半導(dǎo)體多年磨合形成的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。而且碳基半導(dǎo)體還需要產(chǎn)業(yè)鏈滿足三點(diǎn)要求：一是在保證規(guī)?；a(chǎn)的同時(shí)，最大限度地降低成本；二是要能夠利用現(xiàn)有設(shè)備，不引入禁止的化學(xué)污染物或微粒；三是要實(shí)現(xiàn)比同等尺寸硅基更強(qiáng)的性能。產(chǎn)業(yè)發(fā)展有自身的連續(xù)性，碳基半導(dǎo)體如果發(fā)展至能與硅基并存的程度，則將產(chǎn)生“由硅至碳”的升級(jí)機(jī)遇，對(duì)半導(dǎo)體材料制備、芯片設(shè)計(jì)和制造的既有全球產(chǎn)業(yè)體系產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

（二）碳基半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，將繼續(xù)推進(jìn)全球電子產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展

近年來(lái)，碳基半導(dǎo)體研究取得眾多進(jìn)展，碳納米管電子學(xué)研究成果尤為顯著。碳納米管材料的半導(dǎo)體純度和質(zhì)量在不斷提高，能夠得到越來(lái)越接近理想情況的半導(dǎo)體碳納米管材料來(lái)制備晶體管。在器件方面，研究人員對(duì)碳納米管晶體管的器件物理進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究，發(fā)展了碳納米管CMOS器件的可控制備方法，并且不斷優(yōu)化柵介質(zhì)和結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升器件性能，通過縮減器件尺寸，實(shí)現(xiàn)了亞10nm的器件，在此基礎(chǔ)上探索并驗(yàn)證了碳納米管器件的潛力。得益于材料自身的優(yōu)良性質(zhì)和廣泛的政策和資金支持，研發(fā)人員在碳納米管領(lǐng)域取得相當(dāng)?shù)某删?，達(dá)到了其他納米材料從未到過的高度。

碳基半導(dǎo)體研究取得飛速發(fā)展的同時(shí)，也在逐漸從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用。研發(fā)人員不僅實(shí)現(xiàn)了具有各種功能的基礎(chǔ)邏輯單元，在集成電路方面，基于碳納米管晶體管構(gòu)建的一系列基本邏輯單元和復(fù)雜電路，特別是碳納米管計(jì)算機(jī)的展示，讓業(yè)界看到了碳納米管晶體管以及碳納米管芯片的曙光。后摩爾時(shí)代碳基電子學(xué)若取得進(jìn)一步研究成果，在低功耗、高性能或者特種集成電路中展示其潛力，則將為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展譜寫新的光輝樂章。

未來(lái)第四次科技革命既需要人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的鼎力支撐，也離不開半導(dǎo)體技術(shù)提供的硬件基礎(chǔ)?？萍几锩鼛?lái)信息和數(shù)據(jù)的再一次爆發(fā)式增長(zhǎng)，對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展、芯片性能提出更多、更高的要求。此外，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和分析需求的增加，使得全球消耗在數(shù)據(jù)需求上的能源占比快速提升。同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和分析需求的增加，使得全球消耗在數(shù)據(jù)需求上的能源占比快速提升。硅基半導(dǎo)體芯片需提升芯片性能并降低能耗才有望支撐新一輪科技革命，但在受限于物理瓶頸，芯片難以繼續(xù)微縮的狀況下，每個(gè)芯片的算力無(wú)法提升、單位能耗無(wú)法繼續(xù)降低。而在科技革命對(duì)算力需求指數(shù)增長(zhǎng)的情況下，將需要更多的硅基芯片來(lái)執(zhí)行運(yùn)算，也意味著數(shù)據(jù)處理所需的總能耗將呈指數(shù)增長(zhǎng)，這是任何國(guó)家，甚至整個(gè)地球都無(wú)法承擔(dān)的負(fù)荷。

從能耗角度來(lái)看，硅基半導(dǎo)體也難以負(fù)擔(dān)第四次科技革命的期望。碳基半導(dǎo)體的材料特性為超低功耗的納米電子學(xué)開展，和未來(lái)超低功耗集成電路大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造了可能，新的科技革命有望依托碳基半導(dǎo)體帶來(lái)人類社會(huì)的又一次飛躍。

（三）碳基半導(dǎo)體為我國(guó)布局半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供新的選擇

隨著摩爾定律對(duì)硅基半導(dǎo)體逐漸無(wú)能為力，通過快速技術(shù)升級(jí)提升半導(dǎo)體供應(yīng)路線走不通，全球?qū)Π雽?dǎo)體需求卻隨著5G技術(shù)采用、數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)張而快速增長(zhǎng)，半導(dǎo)體行業(yè)供求關(guān)系出現(xiàn)倒掛。未來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)地位愈發(fā)關(guān)鍵，而對(duì)半導(dǎo)體的投資、研發(fā)也將迎來(lái)黃金時(shí)刻。另一方面，技術(shù)發(fā)展帶動(dòng)半導(dǎo)體芯片，如CPU、GPU、NPU等快速更迭，硅基半導(dǎo)體在提升半導(dǎo)體新芯片性能上越來(lái)越后繼無(wú)力，碳基半導(dǎo)體為芯片未來(lái)發(fā)展提供新的選擇。

傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體技術(shù)正臨近發(fā)展極限，信息產(chǎn)業(yè)即將面對(duì)重要?dú)v史轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這也是中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)界實(shí)現(xiàn)趕超的重大與難得的歷史機(jī)遇。伴隨著可移動(dòng)智能設(shè)備、云存儲(chǔ)和大數(shù)據(jù)處理的廣泛應(yīng)用，迅速發(fā)展的信息產(chǎn)業(yè)對(duì)未來(lái)的半導(dǎo)體芯片和信息處理技術(shù)提出了前所未有的要求。為了延續(xù)摩爾定律和應(yīng)對(duì)后摩爾定律時(shí)代，持續(xù)提升芯片性能，需要發(fā)展速度更快、能耗更低的新型半導(dǎo)體芯片；為了拓展正在快速崛起的可移動(dòng)智能設(shè)備市場(chǎng)，同樣需要研制具備柔性、透明和生物可兼容等特性的新型芯片。最終放棄對(duì)一直作為信息產(chǎn)業(yè)基石的傳統(tǒng)硅材料的依賴，轉(zhuǎn)而尋求具有更高性能和更低能耗的非硅基替代材料已經(jīng)成為人類必然的選擇，這將從根本上改變未來(lái)的半導(dǎo)體芯片和整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

當(dāng)前，我國(guó)集成電路制造產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展期，在銷售規(guī)模、技術(shù)升級(jí)、產(chǎn)能擴(kuò)展和規(guī)劃新生產(chǎn)線建設(shè)方面都取得顯著進(jìn)展。但是，我國(guó)大陸集成電路制造業(yè)規(guī)模占全球不到10%，制造技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)工藝技術(shù)還有近兩代差距，這與我國(guó)作為集成電路消費(fèi)大國(guó)的地位嚴(yán)重不匹配。對(duì)此，進(jìn)一步加速我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提升我國(guó)集成電路制造技術(shù)水平仍然十分緊迫。

現(xiàn)今的芯片產(chǎn)業(yè)格局是，美國(guó)把控芯片設(shè)計(jì)和制造專利技術(shù)攫取最多利潤(rùn)，日歐通過材料和制造設(shè)備供給控制上游，臺(tái)灣地區(qū)和韓國(guó)占據(jù)芯片制造的最終出口，我國(guó)極力從三者的縫隙和低端產(chǎn)品切入尋求突破。碳基半導(dǎo)體提供的底層技術(shù)路徑選擇意味著重組產(chǎn)業(yè)格局的難得機(jī)會(huì)，若能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，我國(guó)就能在碳基發(fā)展早期入局，從上游碳基材料制備、中游碳基芯片設(shè)計(jì)到下游碳基芯片制造多層次出手完善芯片產(chǎn)業(yè)架構(gòu)，打破既有的全球芯片產(chǎn)業(yè)格局。

（四）碳基半導(dǎo)體是我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新機(jī)遇

半導(dǎo)體材料研究，尤其是采用硅以外的材料制備集成電路，包括鍺、碳、砷化鉀、石墨烯，一直是國(guó)外半導(dǎo)體前沿技術(shù)的關(guān)注重點(diǎn)。作為最有希望替代硅基的半導(dǎo)體材料，碳基半導(dǎo)體在材料、器件和電路領(lǐng)域取得相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，已證明其巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

目前芯片絕大部分采用硅基材料的集成電路技術(shù)，高端芯片技術(shù)被國(guó)外廠家長(zhǎng)期壟斷，中國(guó)每年進(jìn)口芯片的花費(fèi)高達(dá)3000億美元。加速以芯片為代表的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展早已成為國(guó)家戰(zhàn)略，但在逆全球化和美國(guó)對(duì)我高科技產(chǎn)業(yè)封鎖的大背景下，我國(guó)現(xiàn)有的硅基半導(dǎo)體發(fā)展舉步維艱，多數(shù)集中在低利潤(rùn)、低附加值的環(huán)節(jié)。硅基半導(dǎo)體制造需要設(shè)計(jì)、制造和封測(cè)三大環(huán)節(jié)，我國(guó)在技術(shù)含量最低的封測(cè)環(huán)節(jié)具備一定的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)實(shí)力，但在設(shè)計(jì)和制造上差距很大。設(shè)計(jì)芯片所使用的EDA軟件，我國(guó)基本完全依賴國(guó)外的新思科技、楷登電子和明導(dǎo)國(guó)際三家企業(yè)；芯片制造環(huán)節(jié)則依靠臺(tái)積電、三星、格芯和聯(lián)電，國(guó)內(nèi)最先進(jìn)中芯國(guó)際在制造工藝上與臺(tái)積電相差兩代，而且中芯國(guó)際使用的光刻機(jī)設(shè)備受制于美國(guó)控制的ASML公司。

臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司

我國(guó)硅基半導(dǎo)體距國(guó)際領(lǐng)先水平差距很大，而且美國(guó)企圖利用其硅基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，對(duì)我國(guó)高科技發(fā)展道路實(shí)施封堵，依循舊有的硅基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路追趕注定充滿坎坷。彭練矛院士認(rèn)為，在碳基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)上，若具備實(shí)驗(yàn)條件和有經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)，樂觀估計(jì)大致需要3-5年時(shí)間，即可完成碳納米管晶圓制備能力完善、標(biāo)準(zhǔn)工藝研發(fā)、碳納米管CMOS晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和穩(wěn)定性改進(jìn)、EDA平臺(tái)和設(shè)計(jì)方法建立、完整的碳基三維集成工藝研發(fā)等工作，并形成確定技術(shù)節(jié)點(diǎn)（如90nm或45nm）的碳基三維芯片設(shè)計(jì)和制造能力，進(jìn)而完成碳基中試生產(chǎn)線，奠定碳基集成電路產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。若保守估計(jì)，從碳基芯片的自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具、制造設(shè)備、封裝測(cè)試和人才的招募與培養(yǎng)等方向全面布局，則有望在10年內(nèi)將碳基技術(shù)初步推向?qū)嵱谩?/p>

我國(guó)在碳基半導(dǎo)體研發(fā)上與西方國(guó)家站在同一起跑線，擁有碳基半導(dǎo)體最基礎(chǔ)的專利和技術(shù)，有望徹底打破美國(guó)對(duì)我半導(dǎo)體芯片封鎖，成就國(guó)產(chǎn)芯片獨(dú)立自主的愿景，提升我國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)，增強(qiáng)國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體與電子信息產(chǎn)業(yè)的革新與超越。
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