摩尔定律走到尽头，碳基芯片登上舞台

芯片一直是国内科技业界关心我的热门话题之一，尤其是华为最近在芯片禁令上受到的困扰，让人们更深刻的意识到，芯片技术自主可控的重要性。近日，关于“碳基芯片”的消息在业内流传，据悉，碳基集成电路技术被认为是最有可能取代硅基集成电路的未来信息技术之一。

一、什么是“碳基芯片”
 
20世纪五、六十年代，集成电路发展开始提速，这是通过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的晶体管、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊接封装在一个管壳内。以单晶硅为主的半导体集成电路，已经变得无处不在，成为整个信息技术的强大支柱。
 
进入21世纪以来，人们为了提高芯片性能，一直按照“集成电路上可容纳的晶体管数量大约每隔18个月便会翻一番，性能也将提升一倍”的规律提高单个芯片上晶体管的数量。但芯片尺寸越小，相关工艺难度也越高，尤其是在进入纳米级别后，来自材料、技术、 器件和系统方面的物理限制，让传统硅基芯片的发展速度开始减慢。
 
因此，人们开始寻找新的方向、新的材料来替代硅基芯片，而采用碳纳米晶体管就成为了两种比较可行的方案之一。为什么选择碳元素，这与其本身很多优质的特性有关。
 
资料显示，用碳纳米管做的晶体管，电子迁移率可达到硅晶体管的1000倍，也就是说碳材料里面电子的群众基础更好；其次，碳纳米管中的电子自由程特别长，即电子的活动更自由，不容易摩擦发热。
 
理论上来说，碳晶体管的极限运行速度是硅晶体管的5-10倍，而功耗方面，却只是后者的十分之一。也就说，在更加宽松的工艺条件下，碳晶体管就能取得与硅晶体管同等水平的性能，这也是所谓“碳基芯片”出现的原因。
 
二、我国碳基芯片的研究与发展
 
1997年，北京大学成立全国第一个纳米科技研究机构：北京大学纳米科学与技术研究中心。2002年，清华大学吴德海教授团队和美国伦斯勒理工学院P.M.Ajayan教授合作，首次制备出利用浮动化学气相沉积方法制备直径约为300至500微米的碳纳米管束。
 
同年，清华大学范守善教授团队报道了从碳纳米管阵列拉丝制备碳纳米管纤维的方法。除了这些成就，据2014年数据，我国有超过1000家高校和科研所从事碳纳米材料研究活动，在碳纳米材料的研究方面不断创新。
 
中国碳基纳电子器件代表研究机构有中科院、北京大学、清华大学等。今年5月份，有消息报道称，北京大学电子系教授彭练矛带领团队采用了全新的组装和提纯方法，制造出高纯半导体阵列的碳纳米管材料，制造出芯片的核心元器件——晶体管，其工作速度3倍于英特尔最先进的14纳米商用硅材料晶体管，能耗只有其四分之一。该成果于今年初刊登于美国《科学》杂志。
 
使用该方法制备的碳纳米管纯度可达到99.9999%，阵列密度达到120/微米。通过这一技术，研究人员有望将集成电路技术推进到3nm节点以下！

▲北大团队研发的晶圆级高质量碳管阵列薄膜

 
 
此外，中国科学院金属研究所的研究人员在纳米碳基材料高效催化一级醇转化研究中获得进展。他们发现调控纳米碳催化材料的氧化还原能力，可控制一级醇反应方向，实现对目标产物选择性的调控。
 
利用可再生的生物质资源制备精细化工产品或能源材料有助于解决现代社会能源枯竭、污染严重的问题。将生物质原料衍生的一级醇类化合物(甲醇、乙醇和丁醇等)高值转化为化学品的新方法和新体系，成为化学、化工和材料领域的热点研究方向之一。

研究人员将碳材料应用于丁醇转化反应体系中，发现其本征氧化还原能力取决于碳材料共轭尺寸的大小及杂原子的引入。合理调控纳米碳催化材料的化学组成和结构，即其氧化还原能力，可控制一级醇反应进行方向，实现对目标产物选择性的有效调控。

他们以碳材料催化构效关系研究为基础，设计制备出一种新型石墨烯/氮化硼(BCN)纳米复合催化材料。该材料的特点是石墨烯和氮化硼域共存在同一结构中，二组分在纳米尺度的杂化能够提高复合材料在氧气环境下的热稳定性，且二者间的协同作用赋予复合材料更高的催化反应活性和目标产物选择性。实验结合理论计算结果给出复合材料催化甲醇转化过程的反应路径，实现分子(原子)尺度上对反应过程的本质认识。
 
三、碳基半导体

随着这些年碳纳米管及纳米材料研究的深入，相关工艺日趋成熟，实验室中也成功地制造出碳晶体管，但是想要把这些单独的碳晶体管大规模的组合连接在一起形成一块完整的芯片，还是一件很困难的事情。
 
目前科学家们已经通过化学方法，把单个的碳纳米管放置在硅晶片上想要放的特殊沟道里，但相比于芯片中能放置上千万个硅晶体管的数量，科学家们最多只能同时放置几百个碳纳米管，远远无法投入商业化。其次，要想把碳晶体管排布在晶圆片上，需要更加精准的刻蚀技术。
 
有不少人认为，碳纳米管技术会在接下里的十年里准备就绪，成为取代硅材料之后的芯片材料，届时“碳基芯片”也将会成为未来的主流芯片。事实上碳晶体管没法量产，最大的原因在于，碳元素太活泼了而且介电常数又低。此外，技术障碍只是一方面，成本及成品率的问题同样难以克服。

早在去年9月，美国MIT团队就开发出了第一个碳纳米管芯片RV16XNano，并执行了一段程序输出：“hallo world！” 当然，尽管碳纳米管场效应晶体管（CNFET）比硅场效应晶体管更节能，但它们目前仍大多存在于实验室当中。

据悉，这个碳纳米管芯片内部拥有14000个晶体管，具备16位寻址能力，采用RISC-V指令集，但其相比当前的芯片来看，性能并不突出。其芯片频率仅1MHz，大约是30年前的水平。
 
硅晶体管尺寸的不断缩小，推动着电子技术的进步。当摩尔定律走到尽头，硅晶体管缩小变得越来越困难。以半导体碳纳米管为基础的晶体管，作为先进微电子器件中硅晶体管的替代品，与金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）类似，它成为构建下一代计算机的基本单元。
 
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