石墨烯芯片能否弯道超车？

随着摩尔定律逐渐失效，现在智能设备使用的硅基半导体技术很快会碰到极限，在多个新的技术方向中，石墨烯芯片或许是个不错的选择。  

2000年10月10日，瑞典皇家科学院宣布将本年度诺贝尔物理奖授予三位科学家，分别是俄罗斯圣彼得堡约飞物理技术学院的若尔斯-阿尔费罗夫、美国加利福尼亚大学的赫伯特-克勒默和德州仪器公司的杰克-S-基尔比，以表彰他们为现代信息技术的所作出的基础性贡献，特别是他们发明的快速晶体管、激光二极管和集成电路(芯片)。

如果你认为手机等智能设备改变了世界，那正是因为这些伟大的发明首先改变了这些设备。在阅读这篇文章时，我们手上也正握着数项诺奖级的成果。对于智能设备而言，经过了十几年的发展， 性能的提升依然是消费者和厂商最为关注的要点，更具体来说，这很大程度上取决于设备中芯片性能的提升。

在摩尔定律应用的近60年时间里，计算机从艾尼阿克这样的庞然大物变成每个人都不可或缺的便携式设备，信息技术也由军事实验室进入无数个普通家庭之中。不过，芯片性能的提升，目前还主要依赖于制造工艺的升级，而由于愈发逼近物理极限，工艺研发难度不断加大，“摩尔定律”将失效的声音也越来越大。

近日，在中国国际石墨烯创新大会上，国内多家公司及机构成立了石墨烯铜创新联合体，成员包括正泰集团、上海电缆所与上海市石墨烯产业技术功能型平台，其将面向全球“发榜”，协同开展关键技术攻关，聚力解决一批“卡脖子”问题。该创新联合体表示，希望能够研发出基于石墨烯的芯片来取代传统硅基芯片，由于石墨烯的电子迁移率远高于硅基材料，性能至少是硅基芯片的10倍以上，同时功耗还能大幅降低。

硅基芯片即将到达性能极限

由于高纯硅的独特性，导致其集成度越高，晶体管的价格越便宜，这样也就使得摩尔定律产生了经济学效益。在1990年左右，一个晶体管要10美元左右，但随着晶体管越来越小，小到一根头发丝上可以放上千晶体管时，每个晶体管的价格就下降至此前的千分之一。  

  就在本月，先后发布的联发科天玑9200和高通骁龙8 Gen2两款旗舰处理器，采用的都是台积电4nm工艺，但却并没有使用3nm工艺。从本质上来说，台积电4nm工艺其实是基于2020年的5nm工艺节点的改名而已，这一幕其实在台积电的6nm工艺时就发生过，6nm本质上也是7nm工艺节点的改进。   这种“换汤不换药”式的改名，意味着晶体管微缩技术发展的放缓。   如今，还在继续坚持攻克先进制程的晶圆厂仅剩下台积电、三星、英特尔等几位高端玩家，先进制程所必需的高昂芯片研发、制造费用也给公司带来了巨大的成本压力与投资风险，这也进一步迫使企业寻求性价比更高的技术路线来满足产业界日益增长的芯片性能的需求。而且随着摩尔定律不断逼近极限，现在的硅基半导体技术很快会碰到极限，1nm及以下工艺就很难制造了，在多个新的技术方向中，石墨烯芯片是其中一个选项，国内也有多家公司组建联盟攻关这一技术。  

石墨烯芯片能否弯道超车？

据介绍，石墨烯是一类由单层以碳原子六方晶格排列构成的特殊材料，强度大约是钢的200倍，厚度是头发的20万分之一，导电性和导热性均高于铜，每平方米的重量不到1毫克。同时，它还具有高电导率和导热系数，因此在散热、电池及芯片等各个领域都有极大的发展潜力，能使数据传输更快，也符合现在高性能、低功耗芯片的发展趋势。       早在2010年时，IBM就曾展示过石墨烯晶圆，晶体管频率可达100GHz以上，理论上还可以制造出500GHz到1000GHz的石墨烯芯片。相比之下，现阶段基于硅材料的处理器，超频记录也没有超过10GHz。

  在全球IEEE国际芯片导线技术会议上，正式将石墨烯定位为下一代新型半导体材料，同时也将碳基芯片定义为下一个芯片时代的主流。不过，石墨烯芯片的制造难度也非常高，数十年来业界一直在研究大规模量产的方法，但都没有达到实用程度。目前，多个国家都在研究石墨烯芯片，一旦成功量产，就有望打破现今的硅基芯片垄断局面。在中国，各企业和科研院所近年来也一直在石墨烯领域集结发力，我国自主研发完成的8英寸石墨烯晶圆，不管是性能或尺寸，都处于国际顶尖水平，华为首次公开的石墨烯场效应晶体管专利，也标志着中国在芯片研究领域进入了一个全新的开始。截至2021年底，中国石墨烯专利技术申请量约占全球的80%，相关产品市场规模已达到160亿元。   前不久，工信部批复组建国家石墨烯创新中心等三家国家制造业创新中心。创新中心将面向石墨烯产业发展的薄弱环节，围绕石墨烯材料规模化制备、石墨烯材料产业化应用和石墨烯行业质量提升等研发方向，开展关键共性技术攻关，支撑打造贯穿石墨烯领域创新链、产业链、资金链、人才链和价值链的创新体系，助推国内石墨烯产业进一步创新发展。  

可绕过光刻机？石墨烯芯片没那么“神”

由于碳元素比较稳定，具有易于成型和机械加工的特性，业界一直有传言称碳基芯片的制造完全可以绕开复杂的EUV光刻设备，石墨烯晶圆也将实现碳基芯片的量产。   2021年5月，在中芯国际的互动平台上，就有投资者提出：“贵司是否愿意与中科院合作研发石墨烯碳基芯片项目”的问题作出回应。当时，中芯国际就表示公司的业务未涉及石墨烯晶圆领域，这也打消了早先网上流传的有关于“中芯国际可以依靠石墨烯芯片，在半导体领域中弯道超车”的谣言。对此，中科院团队也表示其并未说过类似“我国是世界上唯一能够生产8英寸石墨烯晶圆”的言论，望大家不要被误导。    

  事实上，在美国对半导体行业实行技术限制的大背景下，中芯国际很难做到既兼顾解决国内芯片自给问题，又做好石墨烯晶圆的新项目研究。即便可以，考虑到市场、成本、技术等问题，硅基产品在很长时间内，依旧会处于业界主导地位，目前的碳基芯片基本上还处于概念阶段，并没有实际可以量产的成品出现。

  与硅基芯片的发展轨迹类似，想要生产、研发碳基芯片，就必须有一套与之相匹配的完整产业链与大量的研发人员，这便产生了额外的成本。当前半导体领域有关于芯片资源的竞争十分激烈，放弃大好市场资源，投入大量人力、财力资源选择一个尚未成型的市场项目，显然是不明智的。   此外，在与硅基芯片的特性对比后，大家可能会产生“碳芯片的制程难度低于硅芯片”的误解，但实际上，如果单从容量来看，碳基芯片的制程难度的确低于现有的硅基芯片，这是因为碳基芯片可容纳晶体管数量要高于硅芯片，碳晶圆的晶体管架空性也优于硅晶圆。但是，由于碳原子有4个自由电子，碳晶体管本身具有较高的导热性与电子活泼性，导致碳晶体管的内部结构十分不稳定，提高了芯片厂商对芯片自主可控电阻、电流的难度。这对于小规模生产来说没有影响，但若想大规模量产，需要芯片代工厂商拥有像实验室一样的环境、技术条件，显然是不太现实的，这也是碳基芯片实际量产难度高于硅基芯片的原因。    

  另外，针对网上流传的的碳基芯片可避开EUV光刻机的谣言，可信度也非常低。原因之一就在于，碳基芯片只是在同等性能的前提下，制程难度低于硅芯片，如同为10nm制程，碳基芯片的性能大概是硅芯片性能的5到10倍，但不管是哪种材料，要想生产7nm及以下的芯片，如今有且只有一条路，那就是通过EUV光刻机。

写在最后

不可否认的是，与硅基芯片相比，碳基芯片的优势的确很大。但在当前的探索阶段，全球各国都尚未在石墨烯芯片领域有真正的突破。如果随着技术的进一步发展，碳基芯片在未来能够实现大规模量产，国内积累的相关技术优势才能真正实现弯道超车，使我国的半导体产业更加完善，并开启一个全新的芯片时代。

编辑：黄飞