芯片|中国芯片换道超车，北大团队研发出碳基芯片性能是硅基的10倍纳米|it芯片|重器

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2020年5月，北大团队在碳基芯片的研究再次取得重大突破，碳基芯片的研究成果，给我国芯片产业提供了一条新的发展道路。
手机已经成为我们每个人的生活和工作必备，而芯片就是手机必备的大脑，芯片越先进手机的性能就越好，功耗就越低，这一点，从手机性能得到巨大提升的时候，续航的时候却越来越长就能得到证明。

小小的芯片，性能如此强大，可是制造它的材料却是最普通不过的沙子——硅，以硅为材料生产出来的芯片，叫硅基芯片，从芯片发明的那天起到现在，我们一直是在使用硅基芯片，芯片企业不断的把越来越多的晶体管集成到表面积越来越小的芯片上，像华为最新手机芯片麒麟9000上面集成的晶体管就多达120亿个。
早在1965年，摩尔就预言，芯片中晶体管中的数量每过18个月就会翻一倍，这就是著名的摩尔定律，不过，现在万能的摩尔定律好像也要触及到天花板，因为硅基芯片的工艺制程已经达到5纳米，再往下就是2纳米， 1纳米，超过1纳米，就进入硅基芯片工艺制程的极限。

如何打破芯片制造的天花板，让芯片继续往前发展，芯片科研人员不断尝试寻找各种新材料来代替硅基芯片，以获得更好的性能和更高的工艺水平，其中碳纳米管就是一种比较理想的晶体管材料，可以把单层的石墨片卷成一根直径为1-2纳米的中空场管，这就是用来制造碳基芯片的明星材料：碳纳米管。

根据理论计算表明，用碳纳米管制成的晶体管与与相同特征的硅晶体管相比，理论上运行速度可以提高5~10倍，而功耗则可以降低10倍，完美满足超低功耗芯片的需求，但理论毕竟是理论，想要利用碳纳米管制成芯片还存在着巨大的挑战。

碳基芯片和硅基芯片所使用的材料不同，工艺制程也不同，硅基芯片上面的层层电路是用雕刻出来的，而碳基芯片的电路需要像修房子一样，用碳纳米管，一层层堆砌而成，我们可以把碳纳米管想像成一个个的砖头，然后把他们按照既定的顺序重叠起来，做成各种不同的结构。制造碳基芯片，首先要解决两个问题。首先制造出大量高纯度，规格统一的碳纳米管，然后找到某种可行的方法，把无数的碳纳米管按照设计要求固定在基片上。这种方法虽然在理论上完全可行，但是实际操作起来却没有那么容易，科学家们研究了近20年，一直没有重大的突破，可以说，谁最先突破基中技术难题，让碳基芯片实现工业化，谁就占据了芯片未来发展的先机。
我们虽然在硅基芯片的技术上远远落后于外国，但是在碳基芯片的研究上，因为起步早，和西方国家基本处在同一起跑线上。由

士带领的北大团队，从2007年就开始开展了对碳基集成电路的研究，他们从碳管制作组装工艺和器件结构等方面入手，创造性的研发了一套高性能碳管CMOS器件的无掺杂制备方法， 10年艰辛，到2017年终于取得了重大突破，成功制备出5纳米栅极碳纳米管CMOS器件，经测试，工作速度两倍于英特尔最新商用硅晶体管，能耗却只有硅材料晶体管的1/4 ，这表明在10纳米以下，碳纳米管CMOS器件比硅基CMOS器件具有明显的性能优势，而且有望达到由量子力学和热力学定律所决定的性能极限，展现出碳纳米管电子学的巨大潜力。这一成果也发表在当年的《科学》杂志上。

2020年5月，北大团队在碳基芯片的研究再次取得重大突破，如果把2017年的成果看做是制砖工艺，那么2020年的成果就是修房子的方法。北大团队开发了一种碳纳米管提纯的新工艺，在4英寸的基片上制作出排列整齐的碳纳米管阵列，每微米范围内可以排列100-200个碳纳米管，实现在高纯度碳纳米管的排列问题。经过电学测试，发现相比特征长度相似的硅基晶体管，碳基晶体管的性能更加优越。

这项成果迅速引起了华为的重视，并马上派出团队进驻北大团队，一起参与商用碳基芯片的研发，通过研发团队和优秀厂商的对接，碳基半导体有望很快进入工业化阶段，基于碳纳米管的集成电路技术已经不存在原理上的障碍，也不再是遥不可及的梦想，掌握核心技术的碳级芯片，也为中国芯片领域的发展带来了新的希望。

因为生产碳基芯片和硅基芯片所用的设计软件，材料，工艺和设备都不一样，所以我们不再会受到外界太多的影响，在芯片自主这条道路上，我们不能弯道超车，但是可以换道超车。