碳基芯片是否会成为国产芯片换道超车的王牌？｜腾股分享

随着摩尔定律逐渐失效，硅基芯片已经开始逼近1nm的物理极限，因此科学家们开始寻找能够代替硅的新材料。

而以碳纳米管、石墨烯等为主要材料的碳基芯片，相较于硅基芯片，有着更高的传输速率和更低的能耗和成本，因此逐渐受到关注。那么，碳基芯片能否取代硅基芯片，实现国产芯片的换道超车？目前碳基芯片的发展面临着哪些挑战？

一、摩尔定律的终结与“后摩尔时代”的到来

摩尔定律是指：集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每经过18个月便会增加一倍。晶体管数目增加一倍，则芯片性能也会随之增加一倍，相应成本就会降低。如今集成电路制程节点已经来到了5nm，借助于EUV光刻等先进技术，正在向3nm甚至更小的节点演进。

然而，受到材料、器件和量子物理的限制，以及芯片内部信号的有效传递等限制，硅基芯片已经开始逼近1nm的物理极限。单个晶体管的成本越来越高，性能提升速度却越来越慢，最后可能出现量子隧穿导致的漏电效应和短沟道效应等问题，因此，靠提升工艺来提升芯片性能的边际成本和效益已无法满足时代的需求。越来越多的人认为摩尔定律即将终结，因此“后摩尔时代”的概念随之而出，寻找能够替代硅基材料的新材料也成为了热门话题。

二、碳基芯片的真面目

碳基芯片是指以碳纳米管和石墨烯等材料为核心的芯片。比起传统的硅基芯片，碳基芯片理论上有1000倍的电子迁移性能，更高的传播速率和更低的能耗和成本。目前，相关领域的研究表明，同等工艺下的碳基芯片性能远超硅基芯片。

碳基芯片的研制在上世纪就已经提出，一直都宣传在应用之后会代替硅基芯片，但因为碳太活泼了而且介电常数又低，这个用碳基芯片来代替硅基芯片的想法一直没有实现。

最早的时候是在金刚石中掺入杂质来制作晶体管，这种操作可以实现比硅半导体更优越的性能。但有一个不可避免的问题就是，金刚石制作成本高，想要实现量产几乎是不可能的，所以就一直没有实现这个设想。

后来才制作出单层石墨烯和单层碳纳米管，这种材料相对于金刚石来说不仅成本更低，而且其本身就是良好的半导体。

碳纳米管就是由呈六边形排列的碳原子一层层重叠之后形成的一种同心的圆管，由于它的结构和石墨的一般片状结构相同，管径和管壁都具有螺旋角，所以其导电性能良好，本身就是一种导电的材料。

并且在导电的过程中电流不会沿着碳分子进行横向的扩散，只能通过轴向传输电流，所以在传输过程中的电损耗比较小，在导电性能上已经可以秒杀必须考虑横向扩散的硅半导体了。

除了导电性能优异之外，碳纳米管还有两个亮点。

1. 材料强度高。碳纳米管的材料强度很高，甚至比钢铁还结实，同时这种材料的柔性也特别好，适合做柔性折叠。

2. 材料直径小。碳纳米管的直径只有1-3纳米，特别适合做小尺寸的晶体管，能够做成立体控制结构，也有利于电路控制。

世界上以美国IBM为首的各种科研团队一直在研究碳纳米管芯片技术，也有了一些进展。北大科研团队最早发现5纳米级晶体管器件制作，而且最早真正实现了碳基芯片电路，性能超过同规格硅基芯片。

虽然碳基芯片在性能上超过同规格硅基芯片，但制作工艺目前来说不够稳定，在制程上没有已经形成体系的硅基芯片先进。

三、碳基芯片的优势

1、碳基芯片极限更低、性能更优、能耗更低。

碳基芯片由是碳基晶圆打造而成，而石墨烯半导体材料是碳基晶圆的基础材料。由于石墨烯具有载流子迁移率高和热导率好等优良特性（其导电性是硅的100倍，导热性是铜的10倍），使得石墨烯晶体管运转速率比硅基晶体管快5~10倍，而功耗却只有硅基晶体管的1/10。同时石墨烯作为最薄和最硬的纳米材料，其厚度只有0.335纳米，其硬度却是钢铁200倍。这些优良性给碳基芯片提供了更低的极限、更优的性能和更低的功耗。

2、碳基芯片对光刻机的制程工艺要求低。

采用90nm工艺的碳基芯片可以制备出性能和集成度等同于28nm技术节点的硅基芯片，而采用28nm工艺的碳基芯片则可以实现相当于7nm技术节点的硅基芯片。换句话来讲，采用28nm的光刻机，就能获得使用全球最先进EUV光刻机的效果，降低了对光刻机制程工艺的要求。

3、国际领域内，碳基芯片技术几乎空白。

目前，碳基芯片相关领域的技术在世界范围内发展程度较低，技术几乎空白。若能今早研发，则可以占据先发优势。

四、碳基芯片能否取代硅基芯片？

碳基芯片目前面临哪些问题？