2000年10月10日,，瑞典皇家科學(xué)院宣布將本年度諾貝爾物理獎授予三位科學(xué)家，分別是俄羅斯圣彼得堡約飛物理技術(shù)學(xué)院的若爾斯-阿爾費(fèi)羅夫,、美國加利福尼亞大學(xué)的赫伯特-克勒默和德州儀器公司的杰克-S-基爾比,，以表彰他們?yōu)楝F(xiàn)代信息技術(shù)的所作出的基礎(chǔ)性貢獻(xiàn),，特別是他們發(fā)明的快速晶體管、激光二極管和集成電路(芯片),。

　　如果你認(rèn)為手機(jī)等智能設(shè)備改變了世界,，那正是因?yàn)檫@些偉大的發(fā)明首先改變了這些設(shè)備。在閱讀這篇文章時,，我們手上也正握著數(shù)項(xiàng)諾獎級的成果,。對于智能設(shè)備而言，經(jīng)過了十幾年的發(fā)展,， 性能的提升依然是消費(fèi)者和廠商最為關(guān)注的要點(diǎn),，更具體來說，這很大程度上取決于設(shè)備中芯片性能的提升,。

　　在摩爾定律應(yīng)用的近60年時間里,，計(jì)算機(jī)從艾尼阿克這樣的龐然大物變成每個人都不可或缺的便攜式設(shè)備，信息技術(shù)也由軍事實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入無數(shù)個普通家庭之中,。不過,，芯片性能的提升，目前還主要依賴于制造工藝的升級,，而由于愈發(fā)逼近物理極限,，工藝研發(fā)難度不斷加大，“摩爾定律”將失效的聲音也越來越大,。

　　近日,，在中國國際石墨烯創(chuàng)新大會上，國內(nèi)多家公司及機(jī)構(gòu)成立了石墨烯銅創(chuàng)新聯(lián)合體,，成員包括正泰集團(tuán),、上海電纜所與上海市石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺，其將面向全球“發(fā)榜”,，協(xié)同開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),，聚力解決一批“卡脖子”問題。該創(chuàng)新聯(lián)合體表示,，希望能夠研發(fā)出基于石墨烯的芯片來取代傳統(tǒng)硅基芯片,，由于石墨烯的電子遷移率遠(yuǎn)高于硅基材料，性能至少是硅基芯片的10倍以上,，同時功耗還能大幅降低,。

　　硅基芯片即將到達(dá)性能極限

　　由于高純硅的獨(dú)特性，導(dǎo)致其集成度越高,，晶體管的價格越便宜,，這樣也就使得摩爾定律產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)學(xué)效益。在1990年左右,，一個晶體管要10美元左右,，但隨著晶體管越來越小,，小到一根頭發(fā)絲上可以放上千晶體管時，每個晶體管的價格就下降至此前的千分之一,。

　　就在本月,，先后發(fā)布的聯(lián)發(fā)科天璣9200和高通驍龍8 Gen2兩款旗艦處理器，采用的都是臺積電4nm工藝,，但卻并沒有使用3nm工藝,。從本質(zhì)上來說，臺積電4nm工藝其實(shí)是基于2020年的5nm工藝節(jié)點(diǎn)的改名而已,，這一幕其實(shí)在臺積電的6nm工藝時就發(fā)生過,，6nm本質(zhì)上也是7nm工藝節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)。

　　這種“換湯不換藥”式的改名,，意味著晶體管微縮技術(shù)發(fā)展的放緩,。

　　如今，還在繼續(xù)堅(jiān)持攻克先進(jìn)制程的晶圓廠僅剩下臺積電,、三星,、英特爾等幾位高端玩家，先進(jìn)制程所必需的高昂芯片研發(fā),、制造費(fèi)用也給公司帶來了巨大的成本壓力與投資風(fēng)險,，這也進(jìn)一步迫使企業(yè)尋求性價比更高的技術(shù)路線來滿足產(chǎn)業(yè)界日益增長的芯片性能的需求。而且隨著摩爾定律不斷逼近極限,，現(xiàn)在的硅基半導(dǎo)體技術(shù)很快會碰到極限,，1nm及以下工藝就很難制造了，在多個新的技術(shù)方向中,，石墨烯芯片是其中一個選項(xiàng),，國內(nèi)也有多家公司組建聯(lián)盟攻關(guān)這一技術(shù)。

　　石墨烯芯片能否彎道超車,？

　　據(jù)介紹,，石墨烯是一類由單層以碳原子六方晶格排列構(gòu)成的特殊材料，強(qiáng)度大約是鋼的200倍,，厚度是頭發(fā)的20萬分之一,，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性均高于銅，每平方米的重量不到1毫克,。同時,，它還具有高電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)，因此在散熱,、電池及芯片等各個領(lǐng)域都有極大的發(fā)展?jié)摿Γ苁箶?shù)據(jù)傳輸更快,，也符合現(xiàn)在高性能,、低功耗芯片的發(fā)展趨勢,。

　　早在2010年時，IBM就曾展示過石墨烯晶圓,，晶體管頻率可達(dá)100GHz以上,，理論上還可以制造出500GHz到1000GHz的石墨烯芯片。相比之下,，現(xiàn)階段基于硅材料的處理器,，超頻記錄也沒有超過10GHz。

　　在全球IEEE國際芯片導(dǎo)線技術(shù)會議上,，正式將石墨烯定位為下一代新型半導(dǎo)體材料,，同時也將碳基芯片定義為下一個芯片時代的主流。不過,，石墨烯芯片的制造難度也非常高,，數(shù)十年來業(yè)界一直在研究大規(guī)模量產(chǎn)的方法，但都沒有達(dá)到實(shí)用程度,。目前,，多個國家都在研究石墨烯芯片，一旦成功量產(chǎn),，就有望打破現(xiàn)今的硅基芯片壟斷局面,。在中國，各企業(yè)和科研院所近年來也一直在石墨烯領(lǐng)域集結(jié)發(fā)力,，我國自主研發(fā)完成的8英寸石墨烯晶圓,，不管是性能或尺寸，都處于國際頂尖水平,，華為首次公開的石墨烯場效應(yīng)晶體管專利,，也標(biāo)志著中國在芯片研究領(lǐng)域進(jìn)入了一個全新的開始。截至2021年底,，中國石墨烯專利技術(shù)申請量約占全球的80%,，相關(guān)產(chǎn)品市場規(guī)模已達(dá)到160億元。

　　前不久,，工信部批復(fù)組建國家石墨烯創(chuàng)新中心等三家國家制造業(yè)創(chuàng)新中心,。創(chuàng)新中心將面向石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，圍繞石墨烯材料規(guī)?；苽?、石墨烯材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和石墨烯行業(yè)質(zhì)量提升等研發(fā)方向，開展關(guān)鍵共性技術(shù)攻關(guān),，支撐打造貫穿石墨烯領(lǐng)域創(chuàng)新鏈,、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈,、人才鏈和價值鏈的創(chuàng)新體系,，助推國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展,。

　　可繞過光刻機(jī)？石墨烯芯片沒那么“神”

　　由于碳元素比較穩(wěn)定,，具有易于成型和機(jī)械加工的特性,，業(yè)界一直有傳言稱碳基芯片的制造完全可以繞開復(fù)雜的EUV光刻設(shè)備，石墨烯晶圓也將實(shí)現(xiàn)碳基芯片的量產(chǎn),。

　　2021年5月,，在中芯國際的互動平臺上，就有投資者提出：“貴司是否愿意與中科院合作研發(fā)石墨烯碳基芯片項(xiàng)目”的問題作出回應(yīng),。當(dāng)時,，中芯國際就表示公司的業(yè)務(wù)未涉及石墨烯晶圓領(lǐng)域，這也打消了早先網(wǎng)上流傳的有關(guān)于“中芯國際可以依靠石墨烯芯片,，在半導(dǎo)體領(lǐng)域中彎道超車”的謠言,。對此，中科院團(tuán)隊(duì)也表示其并未說過類似“我國是世界上唯一能夠生產(chǎn)8英寸石墨烯晶圓”的言論,，望大家不要被誤導(dǎo),。

　　事實(shí)上，在美國對半導(dǎo)體行業(yè)實(shí)行技術(shù)限制的大背景下,，中芯國際很難做到既兼顧解決國內(nèi)芯片自給問題,，又做好石墨烯晶圓的新項(xiàng)目研究。即便可以,，考慮到市場,、成本、技術(shù)等問題,，硅基產(chǎn)品在很長時間內(nèi),，依舊會處于業(yè)界主導(dǎo)地位，目前的碳基芯片基本上還處于概念階段,，并沒有實(shí)際可以量產(chǎn)的成品出現(xiàn),。

　　與硅基芯片的發(fā)展軌跡類似，想要生產(chǎn),、研發(fā)碳基芯片,，就必須有一套與之相匹配的完整產(chǎn)業(yè)鏈與大量的研發(fā)人員，這便產(chǎn)生了額外的成本,。當(dāng)前半導(dǎo)體領(lǐng)域有關(guān)于芯片資源的競爭十分激烈,，放棄大好市場資源，投入大量人力,、財(cái)力資源選擇一個尚未成型的市場項(xiàng)目,，顯然是不明智的。

　　此外，在與硅基芯片的特性對比后,，大家可能會產(chǎn)生“碳芯片的制程難度低于硅芯片”的誤解,，但實(shí)際上,，如果單從容量來看,，碳基芯片的制程難度的確低于現(xiàn)有的硅基芯片，這是因?yàn)樘蓟酒扇菁{晶體管數(shù)量要高于硅芯片,，碳晶圓的晶體管架空性也優(yōu)于硅晶圓,。但是，由于碳原子有4個自由電子,，碳晶體管本身具有較高的導(dǎo)熱性與電子活潑性,，導(dǎo)致碳晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分不穩(wěn)定，提高了芯片廠商對芯片自主可控電阻,、電流的難度,。這對于小規(guī)模生產(chǎn)來說沒有影響，但若想大規(guī)模量產(chǎn),，需要芯片代工廠商擁有像實(shí)驗(yàn)室一樣的環(huán)境,、技術(shù)條件，顯然是不太現(xiàn)實(shí)的,，這也是碳基芯片實(shí)際量產(chǎn)難度高于硅基芯片的原因,。

　　另外，針對網(wǎng)上流傳的的碳基芯片可避開EUV光刻機(jī)的謠言,，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,，制程難度低于硅芯片,，如同為10nm制程，碳基芯片的性能大概是硅芯片性能的5到10倍,，但不管是哪種材料,，要想生產(chǎn)7nm及以下的芯片，如今有且只有一條路,，那就是通過EUV光刻機(jī),。

　　寫在最后

　　不可否認(rèn)的是，與硅基芯片相比,，碳基芯片的優(yōu)勢的確很大,。但在當(dāng)前的探索階段，全球各國都尚未在石墨烯芯片領(lǐng)域有真正的突破,。如果隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,，碳基芯片在未來能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，國內(nèi)積累的相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢才能真正實(shí)現(xiàn)彎道超車，使我國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)更加完善,，并開啟一個全新的芯片時代,。

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