硅芯片和碳芯片

什么是碳基芯片？“碳基芯片”会取代硅基芯片吗？

碳基芯片一般来说就是以碳基材料制作的碳纳米晶体管芯片。相比于传统的硅材料芯片，碳材料的电子特性似乎更加优越，而且随着硅材料芯片的极限制程即将面临瓶颈，在材料、技术和设计等方面都会出现物理限制，制造微小芯片的工艺难度也会增大，想要更加深入发展和研发芯片，寻找新的材料似乎已经是必需的，这时候特性优越的碳基材料会是一种非常不错的选择。关于碳基芯片的消息也一直广为流传，也被很多人认为以后很可能会取代硅芯片，就让我们拭目以待吧。尽管最近这些年我国的科技发展水平已经得到很大提高，特别是在半导体行业中取得了不少进步和突破，不过距离欧美发达国家仍然有不小差距，特别是在半导体领域，一些关键的核心领先技术依然掌握在欧美国家手中，这对于我们来说，发展半导体技术任重而道远。美国之所以能够对华为的不断打压限制，就是因为他们站在技术高点，这对于我们的科技发展造成了很大的阻碍，想要完成突破和封锁就只能迎难而上。如今我国的半导体制造行业正面临着被“卡脖子”的状况，我国在半导体材料、设计到生产的这一全产业链中缺乏核心技术以及较好的研发能力，很长时间以来都只能购买欧美的芯片。虽然这些年来我们已经很努力地去追赶，但是国内的半导体设计和制造工艺还未能达到先进水平，只能去买别人的东西，而且连最先进的光刻机我们想买都买不到。这样受制于人的情况，长期下去对我们是很不利的，别人一旦封锁和限制，我们就会举步维艰，就会阻碍我国实现现代化进程，提升自研芯片的技术水平势在必行。如今随着我国科学家在碳基芯片领域的不断摸索，已经是取得了一定的进展和突破，而且据说碳基芯片的性能会比硅基芯片性能要更加突出，这对于陷入困难局面的我国芯片行业来说是个好消息，如果能够在碳基领域得到发展和领先，或许可以对欧美半导体技术实现弯道超车，摆脱对于别人的技术依赖。不过想要用碳基芯片取代硅基芯片也还没有那么容易，虽然现在能够在实验室中制造出碳晶体管，但是想要拼接组合形成芯片量产还需要做大量的研制，将碳晶体管排布在晶圆片同样需要高精尖的技术才行，很多技术障碍仍然需要去攻克，因此想要完成商业化量产，还需要更多耐心和努力。不过相信我们的科学家，一定可以在未来完成更多的突破。

碳基芯片是什么？碳基芯片的性能是硅基芯片的多少倍？

碳基芯片就是石墨烯芯片，碳基芯片的制作工艺而碳基半导体芯片用到的是碳纳米管或石墨烯，碳纳米管和石墨烯的制备过程跟硅基晶体管的制备方法有着本质的差别，两者的主要原料是石墨，目前生产工艺可以通过电弧放电法、激光烧蚀法等多种方式制成。所以碳基芯片电路的加工一定不会用到光刻机。碳基芯片的性能将是普通芯片的10倍以上。众所周知我国的芯片技术是落后于国外的芯片技术，我国的电子控制核心得芯片大部分都需要进口，电子行业的现状就是，最好的芯片在美国，其次是日本，欧洲，再次是韩国，差一点的是台湾。什么华润，中芯之类的，人家是帮国外低端芯片作代工的。当然，在批发市场那些廉价的，用几个月就坏的小玩具或者遥控器里面，是有国产的芯片。不得不说我国的芯片技术还有很大一个提升空间。现在，我国在碳基芯片上取得了不小的成果，碳基芯片区别于传统硅基芯片，碳基芯片从一种高级的纳米工业技术中产生。碳基芯片和硅基芯片相比，性能或将提升 10 倍，据研究表明，同等工艺制造当中，碳基芯片表现出的优势要远远强于硅基芯片。碳基芯片的延展性非常强，它可以做到普通芯片难以做到的事，比如可以用于一些折叠设备，而且重要的一点是，碳基芯片不需要光刻机也能完成制造，而且碳基芯片的用处可用于更加广泛的领域当中。我国的芯片技术虽然落后于西方，但是在我们不断的努力和坚持下，我们也研发了了碳基芯片，国外对于碳基芯片还没有一丝的进展，对于碳领域上，我国已经领先于西方国家，而且碳基芯片可能超过他们。希望我国的技术越来越发达，争取超越西方国家，打击他们嚣张的气焰。

未来碳芯片是不是会淘汰硅芯片？

碳基芯片是真事儿，还是在忽悠人？

您好，很高兴回答的您问题，以下是我的个人观点。

当然是真事儿，而且这个芯片有很多优势。

在硅基芯片的发展上，中国面对重重障碍，EDA软件、IP、晶圆、生产工艺、设备等等的技术都遭到技术封锁，高端芯片产业链几乎没有中国的份额，华为海思很不容易搞出芯片来，马上就遭到美国的打压。

但是最近出来了一个好消息，北京元芯碳基集成电路研究院中国科学院院士、北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的团队，经过多年的研究和实践，解决了长期困扰他们基半导体材料制备的瓶颈，如材料的纯度，密度与面积等问题。

碳基芯片的优势，成本更低，功耗更低，效率更高，是一种很好的半导体材料，很可能是下一代晶体管集成电路的最理想材料，如果研发成功，到时候芯片内部的晶体管的栅极就是更优秀的碳材料。

早在2017年的时候，彭练矛的团队就研制出高性能五纳米的栅长碳纳米管CMOS器件，这是当时世界上最小的高性能晶体管，它的综合性能比最好的危机晶体管高出了十倍，但是能耗却比硅材料的晶体管少了3/4，当时也登在了自然科学杂志上。

碳基技术，真的会在不久的将来应用在国防科技，卫星导航，气象监测，人工智能，医疗器械这些与国家和人民生活息息相关的重要领域。

彭练矛说“相对于一些时髦的新应用技术，类似芯片这样的基础性研究应该获得更多的关注，因为它对于一个国家的科技实力提升起着更为核心和支撑的作用。”

但是我认为要是投入到工业生产，还是要经过很长的一段路程，希望他们能快点找到解决办法，所以，要真正做到芯片国产化，不仅要提高芯片研发能力和生产能力，还需要提高我国的光刻机研发的制造能力，这些科技都需要花费很长时人力物力和资金，虽然困难重重，我依然认为不久的将来一定会实现的。

生产碳基芯片需要光刻机吗？

在当今社会芯片已经在我们的生活中占据了非常重要的位置，小小的芯片背后凝聚着全世界最先进的科学技术没有之一，以硅为材料的硅基芯片发展了几十年，越来越多的晶体管被集成在这个方寸之间，现在高端手机芯片的晶体管已经超过了1百亿个，在硅基芯片上摩尔定律已经接近了天花板，人们不断在寻找新的材料来突破碳基芯片遇到的这个瓶颈，目前最先进的碳纳米管制造的就是非常理想的晶体管材料，基于碳纳米管制造的碳基芯片并不需要光刻机。

硅基芯片和碳基芯片的生产方式

世界上制造芯片的维纳结构主要有两种策略：

1. Top-Down：从上而下的方法

硅基芯片的制造就是利用了从上而下的微纳精加工技术，用到的设备就是ASML的光刻机。光刻机就像雕刻的刻刀，把芯片设计图纸上的器件用光刻画到硅晶圆上。

2. Bottom-up：自下而上的方法

碳基芯片的制造就是利用了此自下而上的微纳加工技术，就像盖房子一样。盖房子首先我们要用到砖头，再用砖头一点点自下而上地把房子盖起来，碳基芯片中盖房子用的砖头就是碳纳米管。

小结：这二种芯片的最大的区别在于硅基芯片是通过在硅晶圆上光刻和刻蚀等工艺，雕刻出复杂的芯片结构，而碳基芯片是从下而上，利用大量的碳纳米管，像搭乐高积木组装一样，搭建出宏观的芯片器件结构。归结到二个字：硅基芯片是刻，碳基芯片是搭！

碳基芯片目前发展情况

目前世界上中国和美国作为世界领先的二家科技强国，中美已经在碳基芯片的研究上你追我赶了十几年的世界，说是中美之间的竞争其实是中美二个世界顶级名校实验室之间的角逐：北京大学和麻省理工学院。

由彭练矛院士带领的北大实验室，从2007年开始进行了碳基集成电路的课题项目，他们从碳管制造，组装工艺和元器件结构等方面入手，创造性的研发了一套高性能碳管cmos器件的无掺杂制造方法，通过调节接触金属的功函数来是实现器件极性的调控。简单来说就是改变碳纳米管的接触电极材料，利用带金属作为高功函数源漏电极，利用了铝作为低功函数源漏电极。

2017年彭院士带领的北大实验团队在碳管制造技术，碳管器件物理，性能极限探索等方面取得了突破性的进展，制造出了5nm栅极碳纳米管CMOS器件，工作速度2倍于Intel最新的商用硅晶体管，能耗却只有其的1/4，这表明在10nm以下碳纳米管cmos器件比硅基cmos器件具有明显的性能优势，此研究成果发布在《科学》杂志上，北大实验团队的突破性研究证明了碳基芯片的可行性和优越性。但是研究成功和大规模商用性生产还有很远的路要走，一时半会儿解决不了华为芯片产能的问题。

再来说说麻省理工学院，由Shulaker教授带领的团队，也在开展碳基芯片的相关研究，2019年，世界顶级杂志《科学》发表了Shulaker团队的论文，文章介绍了一种包含14000个碳晶体管的碳基微处理器，这个只有16位的微处理器基于RISC-V开源机构，在测试中执行了Hello，World程序，成功生成了信息Hello，world。

他们采用了一种叫MIXED的技术，这和北大实验团队的方法异曲同工，都是通过控制沉积的金属等电极材料来实现晶体管的功能，Shulaker团队更在乎与现有硅基芯片工艺的兼容，他们使用目前标准的EDA芯片设计软件，利用硅基芯片兼容的材料和工艺制备，从而得到了一个由14000个碳基晶体管组成的集成电路，这种方式可以更快地实现产业应用，基本上是硅基芯片30年前的技术水平，想要真正达到商用大批量生产同样也需要很长的路要走。

中国在这场未来科技战场的竞争中稍微领先

与麻省团队的实用功利主义思路不同，北大的实验团队目标是可以完全超越硅基芯片的创新思想。2020年5月，北大实验团队在《科学》杂志上再次取得突破性进展，他们解决了一种重要的难题，如何实现高纯度碳纳米管的整齐排列搭建，他们创新性的制备出纯度优于99.9999%的碳纳米管溶液，利用高纯度溶液通过维度限制组装，在4英寸硅片上制备了排列整齐的高密度碳管搭建。

通过这种发放他们制造出的微处理器比麻省实验室制造出的微处理器要小，但是相比特征长度相似的硅晶体管，碳基晶体管显示出了更大优越的性能。

最后总结：

碳基芯片的制造就是需要在晶圆上制备大面积，高密度高纯度的碳管排列，目前北大的相关研究技术已经领先全球，假以时日我相信中国的碳基芯片研究一定会在商业应用上取得突破，早日突破国外的技术壁垒，制造出高端先进的碳基芯片。

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