未來(lái)碳基芯片會(huì)取代硅基芯片嗎？

芯片一直是國(guó)內(nèi)科技業(yè)界關(guān)心我的熱門(mén)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。有消息報(bào)道稱(chēng)，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。

什么是“碳基芯片”

很多人聽(tīng)說(shuō)過(guò)“硅基芯片”，但對(duì)“碳基芯片”的概念還是比較陌生。在了解“碳基芯片”之前，我們首先要弄清楚為什么會(huì)出現(xiàn)這種理論技術(shù)。

20世紀(jì)五、六十年代，集成電路發(fā)展開(kāi)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(kāi)始減慢。

因此，人們開(kāi)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。

取代硅基芯片？沒(méi)有那么簡(jiǎn)單

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。但硅基芯片好歹發(fā)展了這么多年，有那么容易被取代嗎？

有曾在Fab晶圓廠待過(guò)的工程師朋友告訴筆者，所謂的碳晶體管沒(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(kāi)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！”

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。再看看現(xiàn)在硅基芯片大佬們堅(jiān)持的路線，從10nm到7nm，再到5nm／3nm，他們始終堅(jiān)信硅基芯片還有繼續(xù)突破的空間。