我國碳基芯片取得重大突破，為國產(chǎn)芯片創(chuàng)造全新可能

最近關(guān)于半導(dǎo)體行業(yè)最令人關(guān)注的事便是美國對于華為芯片的限制了，美國的該限令，讓我們再一次意識到了國產(chǎn)芯片獨立自主的重要性。過去多年雖然我國投入了很多精力進行芯片研發(fā)，但是因為在一些核心技術(shù)上始終沒有得到突破，所以我國芯片研發(fā)仍然面臨重重困難。

雖然目前我國在一些中低端芯片上已經(jīng)完全可以實現(xiàn)國產(chǎn)化，但是對于高端芯片特別是7納米以上的高端芯片，仍然完全依賴進口，即便類似華為這種企業(yè)有能力設(shè)計出7納米甚至5納米的芯片，但是想要把這種設(shè)計轉(zhuǎn)化為實實在在看得見的芯片，還要委托給臺積電進行生產(chǎn)。

現(xiàn)在華為被美國限制之后，未來七納米芯片面臨很多不確定因素，一旦臺積電120天緩沖期過去之后，將意味著從9月下旬開始，他們將不能繼續(xù)代工華為的芯片，這對于華為來說影響是非常大的，如果M國對華為的限制沒有放松，未來幾年華為都有可能受到很大的影響。

不過天無絕人之路，雖然我國在硅基芯片上跟國際頂尖水平有很大的差距，在高端芯片上甚至處處受制于人，但是由我國自主研發(fā)的碳基芯片，最近已經(jīng)取得了新的突破，未來即便沒有EUV光刻機，我國也有可能生產(chǎn)出一些高性能的芯片。

2020年5月26日，由中國科學(xué)院院士彭練毛和張志勇教授組成的碳基納米管芯片研發(fā)團隊在新型碳基半導(dǎo)體領(lǐng)域取得了重大的研究成果。

2020年5月22日《用于高性能電子學(xué)的高密度半導(dǎo)體碳納米管平行陣列》這篇論文在科學(xué)上發(fā)表。電子學(xué)系2015級博士研究生劉力俊和北京元芯碳基集成電路研究院工程師韓杰為并列第一作者，張志勇和彭練矛為共同通訊作者。

該課題組采用多次聚合物分散和提純技術(shù)得到超高純度碳管溶液，并結(jié)合維度限制自排列法，在4英寸基底上制備出密度為120 /μm、半導(dǎo)體純度高達99.9999%、直徑分布在1.45±0.23 nm的碳管陣列，從而達到超大規(guī)模碳管集成電路的需求。

這意味著經(jīng)過過20年的研發(fā)時間，我國不僅突破了碳基半導(dǎo)體制造設(shè)備的瓶頸，而且實現(xiàn)了碳基納米管晶體管芯片制造技術(shù)的全球領(lǐng)先地位。

與傳統(tǒng)的硅基芯片相比，碳基芯片功耗和成本更低，性能更強，據(jù)彭練矛毛教授稱，同等柵長的碳基芯片比硅基半導(dǎo)體功耗至少降低三倍以上，運行速度也提高了三倍，用碳管制成的芯片有望使用在手機和武器為基站中。

那這種碳基芯片到底有多強大呢?

2017年1月，彭練矛率團隊研制出高性能5nm(納米)柵長碳納米管CMOS器件，這是世界上迄今最小的高性能晶體管，綜合性能比目前最好的硅基晶體管領(lǐng)先十倍，接近了理論極限。其工作速度3倍于英特爾最先進的14nm商用硅材料晶體管，能耗卻只有硅材料晶體管的1/4，相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)》。

這意味著如果未來碳基芯片管能夠產(chǎn)業(yè)化，將可以讓我國擺脫對西方硅基芯片的依賴，按照碳基機芯片性能是硅基芯片的3倍來計算，要生產(chǎn)出5納米的芯片，只需要具備14納米光刻機就可以，用不到7納米光刻機，這樣就不用看荷蘭ASML的臉色了。

而目前由上海微電子自主研發(fā)的28納米光刻機，預(yù)計將在2021年投產(chǎn)，按照這個研發(fā)速度，未來上海微電子還有可能研發(fā)出14納米的光刻機，如果將14納米光刻機和碳基芯片結(jié)合在一起，我國將可以大幅縮小跟西方硅基芯片的差距，甚至達到領(lǐng)先的目的，從而擺脫西方一些國家對我國的技術(shù)封鎖。

當(dāng)然，目前擺在我國面前的還有很長的路要走，雖然北京大學(xué)在碳基納米管上取得了技術(shù)上的突破，但是碳納米管集成電路批量化制備的前提是實現(xiàn)超高半導(dǎo)體純度、順排、高密度，大面積均勻的碳納米管陣列薄膜，這對于制造工藝會要求更高。

碳納米管CMOS技術(shù)正快速走向成熟，雖然近幾年還不能應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域，但是未來必將走向應(yīng)用，并且提供全新的可能性。