芯片一直是國內(nèi)科技業(yè)界關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，芯片技術自主可控的重要性。

近日，關于“碳基芯片”的消息在業(yè)內(nèi)流傳，據(jù)悉，碳基集成電路技術被認為是最有可能取代硅基集成電路的未來信息技術之一。有消息報道稱，北京大學電子系教授彭練矛帶領團隊采用了全新的組裝和提純方法，制造出高純半導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》雜志。

什么是“碳基芯片”

很多人聽說過“硅基芯片”，但對“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出現(xiàn)這種理論技術。

20世紀五、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、蒸鋁等半導體制造工藝，把構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體集成電路，已經(jīng)變得無處不在，成為整個信息技術的強大支柱。

進入21世紀以來，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，相關工藝難度也越高，尤其是在進入納米級別后，來自材料、技術、 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。

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。

取代硅基芯片？沒有那么簡單

隨著這些年碳納米管及納米材料研究的深入，相關工藝日趨成熟，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。

目前科學家們已經(jīng)通過化學方法，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，需要更加精準的刻蝕技術。

有不少人認為，碳納米管技術會在接下里的十年里準備就緒，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。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晶圓廠待過的工程師朋友告訴筆者，所謂的碳晶體管沒法量產(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！”

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