28nm碳芯片等效7nm硅芯片？！国内碳基芯片热的冷思考

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）从2017年北京大学彭练矛团队首次制备出了5纳米的高性能碳晶体管，国内的半导体圈子就一直在盛传碳基芯片，近来这种讨论再次鼎沸。原因无外乎两个，一方面摩尔定律的推进放缓已成事实，虽然晶圆代工厂在不断更新制程数据，但性能和功耗都早已脱离了原来的路线；另一方面国产芯片在硅基芯片领域受阻严重，目前EUV***这种关键设备根本无法进入中国大陆，一段时间内国产芯片制造工艺停滞不前是可以预见的。
 

图源：nature杂志

 
近两日，国内的学者和自媒体再次引爆碳基芯片话题，推崇和质疑又纷至沓来。舆论的两极化让碳基芯片的发展蒙上了一层轻纱，声色诱人，又似有“天生顽疾”。
 

碳基芯片的先进性和前沿进展

从定义上看，碳基芯片是指以碳纳米管、石墨烯等材料为核心的芯片，相较于硅基芯片，碳基芯片在理论上有着1000倍的电子迁移性能，有更高的传输速率、更低的成本和更低的功耗。目前已经有研究表明，同等工艺下的碳基芯片在性能方面远超硅基芯片。
 
因此，目前的发展态势是碳基芯片并非会脱离当下的芯片产业，依然会借助现有芯片的制造工艺，目前少数的试验品证明，碳基芯片确实更出色。
 
接下来，我们从彭练矛团队公开的信息以及其他相关研究来看一下，碳基芯片到底有何妙处？其先进性体现在哪里？
 
我们在北京大学信息科学技术学院师资队伍中看到，彭练矛教授主攻的方向基本是围绕纳米技术，包括纳米电子及功能材料的合成；基于纳米材料的高性能电子、光电子器件的制备，器件物理，纳米集成电路的实现和系统集成；纳米器件在化学、生物传感及能源方面的应用。因此，彭练矛团队在碳基芯片上面的研究可能会是从材料到芯片制造到应用的全覆盖。
 

图源：北京大学官网

 
我们都知道现代芯片的根本是晶体管，那么要做碳基芯片，首先就要用碳材料做出晶体管。2000年，彭练矛团队就开始着手探究用碳纳米管材料制备集成电路的方法，并于7年后，也就是2007年成功研发出一种碳纳米管晶体管的制备方法。
 
通过采用碳纳米管作为沟道导电材料，碳晶体管是由碳原子排列而成的微小圆柱体，比现在的硅晶体管小100倍，也就意味碳晶体管可以做到更小。在此将上述优点综合起来看，也就是专家所讲到的，只使用28nm工艺的碳基芯片就会有7nm硅基芯片的等效性能。在实验室条件下，碳基芯片的功耗表现优于硅基芯片5倍，且能效比是硅基芯片的50倍。在三维集成电路上，碳晶体管的优势会更加明显，理论上的功耗表现会优于硅基芯片1000倍。
 
下图是北京元芯展示的一种新型的具有超强抗辐照能力的碳纳米管场效应晶体管，彭练矛-张志勇课题组有参与其中。在此引述一下该项研究的一段描述，在低辐照剂量率（66.7 rad/s）下，晶体管和反相器电路能够承受15 Mrad（Si）的总剂量辐照。在此基础上，课题组发展了可修复的碳纳米管集成电路，结果表明，经受3 Mrad总剂量辐照的离子胶碳纳米管场效应晶体管和反相器，在100℃下退火10分钟，其电学性能和抗辐照能力均得以修复。
 

离子胶碳纳米管抗辐照晶体管和集成电路辐照修复效应
图源：北京元芯

 
这项研究无疑证明了碳基芯片具有很好的抗辐照特性。
 
当然，世界上第一个碳纳米晶体管阵列并非诞生在中国，而是由IBM的研究人员制造出来的，并且也不仅仅只有中国在研究碳基芯片，美国同样很重视，另外作为全球晶圆代工巨头的台积电也出现在这个领域。
 
在碳基芯片领域有一个关键问题是，过去很难有办法很好地控制碳晶体管，那么就无法复现逻辑电路中的开关功能，由台积电首席科学家黄汉森领导，来自台积电、斯坦福大学和加州大学圣地亚哥分校的研究人员通过一种新的制造工艺解决了这个问题。
 
过去硅基芯片是将具有较高介电常数（即高k）的介质材料——二氧化铪沉积在二氧化硅上，但碳纳米管不能形成氧化层，于是研究人员又在其中加入了一种中间k介质——氧化铝。这样碳基芯片就具备了工作的能力。
 
汇总来看，彭练矛团队研究出来了无掺杂制备碳晶体管的方法，并于2017年首次制备出了5纳米的高性能碳基晶体管，还发明了一套可以制备排列碳纳米管的技术，排列密度达到每微米200-250根，通过采用“6个9”纯度的碳纳米管材料，满足了半导体的制备工艺，相关成果被《Science》发表。在制造方面，台积电为首的研究团队解决了碳基芯片工作的难题，而北京元芯碳基集成电路研究院也攻克了相关问题，并在2021年12月于北京亦庄举行了“90 纳米碳基集成电路关键工艺研究”课题验收会，嘉宾不仅看到了样品实物，还参观了正在建设中 90 纳米工艺先导线，产品综合性能等效28nm硅基芯片。
 

针对碳基芯片的质疑声

虽然彭练矛团队通过无掺杂的方式制备出了碳晶体管，台积电等研究团队通过进一步注入中间k介质解决了碳晶体管开关控制的难题，而且彭练矛团队和MIT团队都基于碳晶体管设计出了计算芯片，但这些成果大都是在实验室中完成，且碳基芯片还有很多待攻克的材料和技术难题，因此质疑者的声浪并不低于对碳基芯片推崇的人。
 
第一个质疑是碳活跃的问题，虽然通过特殊的方法能够用碳纳米管制备晶体管，但晶圆代工企业的员工大都认为从实验室将碳基芯片的制备方法转移到产线，碳分子的活跃性将带来巨大挑战，这是一个量产难题。同时，碳分子的活跃性也给应用带来了不确定性，下游生态的搭建阻力更大。此外，碳纳米管提纯难度大，“6个9”纯度以上的碳基材料是否可量产，或者量产的经济效益是否合理都是未知数。
 
第二个质疑是碳纳米管相对于硅纳米管更小，这本来是碳基芯片的优点，可以制备更先进工艺的芯片，但正如中芯国际此前提到的，碳基芯片的生产难度更高。中芯国际代表着大陆晶圆制造的最高水平，那么很显然更小的碳晶体管会成为量产的一个障碍，要用更小的碳晶体管实现功能电路无疑需要更先进的***，又回到了老问题上。
 
第三个质疑也是针对碳材料本身的，一个是电阻的控制，另一个防漏电，要成为稳定可靠的功能芯片，这两点是必须要彻底解决的。
 
第四个质疑是路径依赖，硅基芯片发展至今已经在材料、设备、制造和应用等环节形成成熟的生态链，国内的从业者也是大批大批地涌入这个领域，产业要兴起，人才是不可或缺的，在国产硅基芯片都人手不够的情况下，预计只有极少数的人会参与到碳基芯片的研究中。在这样的情况下，碳基芯片即便没有缺陷想另起炉灶也是难上加难。
 
在学术上的质疑声之外，还有一些声音认为，碳基芯片只能存在于学术端，无法走进产业，是学术工作者“水paper”的手段。
 

后记

国产芯片在过去一段时间里经常提弯道超车，但开车的人都知道弯道是禁止超车的，不是说不能，而是太危险了，有着投机取巧的心理。要超车就需要换道，在芯片发展上面同样是这个道理，要想在芯片上面取得领先，硅基芯片上面的可能性无限趋于零，一个EUV***就把我们卡的死死的。
 
那么要想在芯片上面实现超越，就需要换条赛道，光量子芯片和碳基芯片等都是全新的赛道，现在我们还无法笃定哪条赛道会成功，因此都不落后于人是至关重要的。有人质疑，高校搞前沿科技是为了paper数量，是为了“攒资本”，这样的理解过于狭隘了。且不说北京元芯已经在推进碳基芯片的生产落地，即便没有，也不能让“利益论”绑架高校的创新灯塔，科技的进步要谨记为有源头活水来。化合物半导体在功率器件、LED等领域取代硅也有一个过程。
 
但实验室水平和应用落地之间也隔着层层鸿沟，至少需要确保十年以上的持续资金投入和政策支持，我们也不能过渡吹捧我们的科技创新。所谓捧杀，捧杀，很多事情的失败不是因为竞争打压，过渡的舆论发酵会让管理者、参与者迷失，最终因为不合理的理想和现实之间的落差而导致很好的项目胎死腹中。