[導(dǎo)讀]目前已經(jīng)有消息報道稱北大電子系教授所帶領(lǐng)的團隊已經(jīng)采用了全新的組裝和提成方法，制造出了芯片的核心元器件，晶體管工作速度將對比起英特爾14納米商用硅材料晶體管還要快三倍，而能耗只有它的1/4。
在芯片的發(fā)展過程中，人們開始探尋新的材料想要代替硅基芯片，而其中碳元素由于本身具有許多優(yōu)質(zhì)特性，于是便采用碳納米管來做晶體管，由此做成的碳基芯片。
國內(nèi)芯片發(fā)展是科技行業(yè)的熱點芯片一直是科技行業(yè)最為關(guān)心的熱門話題之一，尤其是最近的芯片禁令，導(dǎo)致華為的部分發(fā)展受到了困擾，所以人們就更加深刻的意識到了芯片的自主研發(fā)技術(shù)非常重要，最近行業(yè)內(nèi)便開始流傳起了關(guān)于碳基芯片的信息，碳基集成電路技術(shù)，被認為是最有可能代替硅基集成電路的未來信息技術(shù)。
目前已經(jīng)有消息報道稱北大電子系教授所帶領(lǐng)的團隊已經(jīng)采用了全新的組裝和提成方法，制造出了芯片的核心元器件，晶體管工作速度將對比起英特爾14納米商用硅材料晶體管還要快三倍，而能耗只有它的1/4。
什么是碳基芯片
對于碳基芯片這個概念，有些不太了解的人也許會比較陌生，碳基芯片是在20世紀五六十年代被提出來的，當(dāng)時集成電路發(fā)展已經(jīng)開始提速，所以具有一定功能的電路所需要的晶體管電阻和電容等等，這些就成了當(dāng)時的核心技術(shù)，而要將它們通過連接導(dǎo)線集成在一小塊硅片上，然后在焊接封裝在管殼內(nèi)，這個技術(shù)是整個研發(fā)的強大支柱。
后來為了能夠提高芯片的性能，所以人們便按照每18個月就將集成電路上可容納的晶體管數(shù)量翻一番性能也提升一倍的規(guī)律來提升單個芯片的晶體管數(shù)量，但是這樣一來相關(guān)的工藝難度也就隨之提高了，特別是進入了納米級別之后，關(guān)于材料技術(shù)和系統(tǒng)方面的技術(shù)物理限制，導(dǎo)致硅基芯片的發(fā)展開始出現(xiàn)停滯，這時人們也就開始尋找新的材料來代替硅基芯片，其中碳元素由于它本身的特性非常優(yōu)越，所以被納為最佳選擇。
硅基芯片短時間內(nèi)無法被取代
用碳納米管來做傳導(dǎo)，晶體管電子遷移率可達到硅晶體管的1000倍，電子的群眾基礎(chǔ)更好，而且碳納米館里的墊子自由城非常長，電子活動更自由，就不容易摩擦發(fā)熱，這樣一來看晶體管的極限運動速度會是硅晶體管的5~10倍，功耗方面只有硅晶體管的1/10，這樣一來工藝條件就會變得更寬松一些。
雖然這個概念已經(jīng)被提了出來，但是想要真正的取代硅基芯片，還是沒有那么簡單的，因為目前碳經(jīng)濟管沒有辦法量長，碳元素太過活潑，而且介電常數(shù)比較低，所以我們目前的技術(shù)存在著一定的技術(shù)障礙，除了技術(shù)障礙之外，成本以及成本率的問題，目前同樣難以克服。
如今隨著我國科學(xué)家在碳基芯片領(lǐng)域的不斷摸索，已經(jīng)是取得了一定的進展和突破，而且據(jù)說碳基芯片的性能會比硅基芯片性能要更加突出，這對于陷入困難局面的我國芯片行業(yè)來說是個好消息，如果能夠在碳基領(lǐng)域得到發(fā)展和領(lǐng)先，或許可以對歐美半導(dǎo)體技術(shù)實現(xiàn)彎道超車，擺脫對于別人的技術(shù)依賴。不過想要用碳基芯片取代硅基芯片也還沒有那么容易，雖然現(xiàn)在能夠在實驗室中制造出碳晶體管，但是想要拼接組合形成芯片量產(chǎn)還需要做大量的研制，將碳晶體管排布在晶圓片同樣需要高精尖的技術(shù)才行，很多技術(shù)障礙仍然需要去攻克，因此想要完成商業(yè)化量產(chǎn)，還需要更多耐心和努力。不過相信我們的科學(xué)家，一定可以在未來完成更多的突破。
為什么碳基半導(dǎo)體的制造不用光刻機
可以肯定的是碳基集成電路的加工肯定不會用到光刻機！國內(nèi)研發(fā)團隊在碳基半導(dǎo)體制備材料研究領(lǐng)域取得突破性進展，為我國碳基半導(dǎo)體進入規(guī)模工業(yè)化奠定基礎(chǔ)，也為我國芯片制造產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)“彎道超車”提供巨大潛力。
傳統(tǒng)的硅基芯片的制造過程的本質(zhì)，就是按照芯片電路設(shè)計的要求，通過各種工藝生產(chǎn)在硅晶圓上制造出數(shù)以億計的晶體管，并用電路將晶體管連接起來，從而實現(xiàn)芯片的邏輯運算功能。
硅材料的特性決定了硅基芯片的生產(chǎn)必須經(jīng)過拋光、光刻、蝕刻、離子注入等一系列復(fù)雜的工藝過程，才能在晶圓上制造出晶體管來。而碳基半導(dǎo)體的晶體管用到的是碳納米管，碳納米管的制備過程跟硅基晶體管的制備方法有著本質(zhì)的差別，所以碳基集成電路的加工一定不會用到光刻機。
碳基半導(dǎo)體可以幫助我國芯片產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)彎道超車
芯片的制造分為三個步驟，設(shè)計、制造、封裝測試。
在設(shè)計和封裝測試環(huán)節(jié)，無論是通用CPU還是手機芯片，我國已經(jīng)具備了世界一流的水平。我國在芯片加工工藝和加工設(shè)備制造方面的全面落后，造成我國在芯片制造環(huán)節(jié)遠遠落后于世界先進水平，尤其是光刻機技術(shù)落后于世界領(lǐng)先水平20年。這樣巨大的差距，想要依靠常規(guī)的手段，在短時間內(nèi)是無法實現(xiàn)對世界先進水平的趕超的。
碳基半導(dǎo)體技術(shù)的研究，我國與世界各國基本上同步開始。北大教授彭練矛的研究成果，一下子讓我國在碳基半導(dǎo)體材料制備方面領(lǐng)先全球，為我國在下一代芯片制造技術(shù)領(lǐng)域贏得了寶貴的領(lǐng)先地位。
碳基半導(dǎo)體時代的開啟
當(dāng)前智能手機、電腦登電子設(shè)備已成為人們生活中不可或缺的一部分,更高的運行速度、更加持久的用電量一直是我們追求的目標,如何實現(xiàn)這些更優(yōu)的性能,離不開晶體管研究領(lǐng)域的技術(shù)突破。
為打破傳統(tǒng)硅基芯片發(fā)展面臨的物理制約瓶頸,科學(xué)家們近年來開始研究替代硅基芯片的新型材料,碳基晶體管以其優(yōu)越的性能,成為提高計算機運行速度,降低電子設(shè)備功耗的一代新星。但是,多年來一直面臨制造工藝、材料等方面的發(fā)展難題。
2020年9月25日,美國加州大學(xué)伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)的物理學(xué)系教授Crommie、化學(xué)系教授Fischer及其同事在Science上發(fā)表了一項最新研究成果,這個由化學(xué)家和物理學(xué)家組成的團隊創(chuàng)造出了一種完全由碳制成的金屬線。
這種金屬線為制造碳基電路的工具箱提供了最后一個工具,該創(chuàng)造必將加速推進碳基晶體管的研究進程,為碳基計算機的制造奠定堅實的基礎(chǔ)。
加州大學(xué)伯克利分校化學(xué)系教授Felix Fischer表示:“在碳基材料(Carbon-Based Materials)領(lǐng)域內(nèi),將同種材料整合到一起的技術(shù)是關(guān)鍵所在。”他指出,用同一種材料制造所有電路元件的能力會使制造變得更加容易,而這一直是全碳基集成電路架構(gòu)中缺少的關(guān)鍵因素之一。
上世紀五六十年代,集成電路開始迅速發(fā)展,半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)不斷提升,一小塊芯片上集成的晶體管數(shù)目不斷增加,摩爾定律穩(wěn)步發(fā)展。
進入21世紀,信息技術(shù)飛速發(fā)展,芯片性能不斷提高,尺寸也在不斷變小上實現(xiàn)一次次的突破,以單晶硅為主的半導(dǎo)體集成電路已成為整個信息技術(shù)的強大支柱。
但芯片尺寸的不斷減小,也增加了相關(guān)工藝的難度,尤其是到了納米級材料,受材料、技術(shù)、 器件等方面的物理限制,傳統(tǒng)的硅基晶體管發(fā)展速度放緩。
近幾年,對于硅基芯片發(fā)展中,摩爾定律面臨的物理瓶頸日趨嚴重,研究人員開始逐步探索碳納米晶體管的研發(fā)。與硅基晶體管相比,碳基晶體管具有成本低、功耗小、效率高的顯著優(yōu)勢。理論上來說,碳晶體管的極限運行速度是硅晶體管的5-10倍,而功耗方面,卻只是后者的十分之一。
所謂碳納米管,是一種1991年被發(fā)現(xiàn)的新型材料,由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成的單層或者多層圓管。在制備高性能晶體管方面,它具有超高的電子和空穴遷移率、原子尺度的厚度、以及穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢。
我國碳基芯片的研究起步較早,代表研究機構(gòu)有中科院、北京大學(xué)、清華大學(xué)等。
早在2017年,北京大學(xué)電子系教授彭練矛課題組就實現(xiàn)了用碳納米管研制出了晶體管,而且其工作速度相當(dāng)于英特爾最先進的14納米商用硅材料晶體管的3倍,能耗僅占1/4。
彭練矛教授曾說:“我們在碳基集成電路這條路上走了二十年,還沒有看到什么令我們覺得走不下去的障礙?！?/span>
超窄納米帶金屬線
隨著這些年碳基晶體管研究的不斷深入,相關(guān)工藝日趨成熟,實驗室級的碳晶體管不斷被研發(fā)出來,想要把這些獨立的碳基晶體管大規(guī)模的連接在一起形成一塊完整的芯片,因為關(guān)鍵部件——金屬線制造技術(shù)的不成熟,使得其成為一件相當(dāng)困難的事情。
金屬線就像計算機芯片中用于連接晶體管的金屬通道一樣,將晶體管中的電子從一端傳導(dǎo)到另一端,作為計算機的基本組成部分,晶體管也因此得以實現(xiàn)半導(dǎo)體元件的互連。
加州大學(xué)伯克利分校的研究團隊多年來一直致力于研究如何使用石墨烯納米帶制造半導(dǎo)體和絕緣體。
石墨烯納米帶是由原子厚度的石墨烯組成的一維窄條,這種結(jié)構(gòu)完全由碳原子組成,排列成相互連接的六角形,類似于雞肉線。
新研發(fā)的碳基金屬也是一種石墨烯納米帶,但設(shè)計時著眼于在全碳晶體管的半導(dǎo)體納米帶之間傳導(dǎo)電子。Fischer的同事、加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)教授Michael Crommie說,金屬納米帶是采用一種自下而上的方法,利用較小的相同結(jié)構(gòu)單元組裝而成的結(jié)構(gòu)。每個結(jié)構(gòu)單元均貢獻一個電子,該電子可沿納米帶自由流動。
雖然其他碳基材料也可以是金屬的,比如擴展的二維石墨烯片和碳納米管。但它們各自存在問題,例如,將二維石墨烯片材重塑成納米級的條帶,就會自發(fā)地將它們變成半導(dǎo)體,甚至是絕緣體。
碳納米管卻是一種極好的導(dǎo)體,但無法像納米帶那樣,以同樣的精度和可重復(fù)性進行大量制備。
Crommie說:“納米帶可以便于我們利用自下而上的制造方式,以化學(xué)方式獲得各種各樣的結(jié)構(gòu),這是納米管還無法實現(xiàn)的一點。這樣我們基本上可以將電子縫合在一起,以創(chuàng)建金屬納米帶,這也是以前從來沒有做過的事情。這不僅是石墨烯納米帶技術(shù)領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一,也是我們感興趣的原因之一?！?/span>
金屬石墨烯納米帶具有寬的、部分填充的金屬電子帶特征,在電導(dǎo)率上應(yīng)該與二維石墨烯本身相當(dāng)。
“我們認為金屬線確實是一項突破,這是我們第一次可以有意識地用碳基材料創(chuàng)造出一種超窄的金屬導(dǎo)體,這種導(dǎo)體是一種良好的本征導(dǎo)體,而無需外部摻雜?！盕ischer補充道。
調(diào)整拓撲結(jié)構(gòu)
自上世紀五六十年代以來,硅基集成電路為計算機提供了越來越快的速度和更優(yōu)的性能。但是近十年來,半導(dǎo)體上可集成的晶體管數(shù)目增長速度明顯放緩,摩爾定律被不斷質(zhì)疑是否已到了窮途末路,當(dāng)前的硅基半導(dǎo)體技術(shù)正在不斷達到物理極限。
與此同時,想要降低電路的功耗也變得越來越難,計算機已經(jīng)成了全球能源的一大消耗設(shè)施。Fischer 說,與硅基計算機相比,碳基計算機的切換速度有可能會加快很多倍,而功耗卻很小。
純碳的石墨烯是下一代碳基計算機的主要競爭者,窄帶的石墨烯主要是半導(dǎo)體,面對絕緣體完全不導(dǎo)電和金屬完全導(dǎo)電的兩個極端,如何將它們同時用作絕緣體和金屬,以完全由碳構(gòu)成晶體管和處理器,成為一大挑戰(zhàn)。
幾年前,Fischer和Crommie與理論材料科學(xué)家、加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)教授Steven Louie合作,發(fā)現(xiàn)了連接小長度納米帶的新方法,從而可靠地創(chuàng)造了全方位的導(dǎo)電特性。從而可靠地創(chuàng)建了整個導(dǎo)電性能域。
兩年前,該團隊證明,通過以正確的方式連接納米帶的短段,可以將每段中的電子排列成一個新的拓撲狀態(tài)(一種特殊的量子波函數(shù)),從而產(chǎn)生可調(diào)諧的半導(dǎo)體特性。
在這項新工作中,他們使用類似的技術(shù)將納米帶的短段縫合在一起,創(chuàng)造出一種長數(shù)十納米、寬僅一納米的導(dǎo)電金屬線。
寬帶金屬石墨烯納米帶(GNR)的電子顯微鏡圖像圖中每個突簇對應(yīng)了一個單獨占據(jù)的電子軌道,在每個簇附近形成五邊形環(huán)會使得金屬GNR的電導(dǎo)率增加十倍以上, GNR主干的寬度為1．6納米。
這些納米帶材是通過化學(xué)方法創(chuàng)建的,并使用掃描隧道顯微鏡在非常平整的表面上成像。簡單的加熱就可以誘導(dǎo)分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng),并以正確的方式連接在一起。Fischer將菊花鏈式積木的組裝比作一套樂高積木,但樂高積木的設(shè)計適合原子級。
Fischer 說:“它們都是經(jīng)過精確設(shè)計的,所以只有一種方式可以合在一起。這就好比你拿一袋樂高積木,搖一搖,就會出來一輛完全組裝好的汽車。這就是用化學(xué)控制自組裝的神奇所在?！?/span>
一旦組裝完畢,新的納米帶的電子狀態(tài)是一種金屬,就像Louie預(yù)測的那樣,每個部分都貢獻了一個導(dǎo)電電子。最終的突破可以歸因于納米帶結(jié)構(gòu)的微小變化。
“利用化學(xué)方法,我們創(chuàng)造了一個微小的變化,大約每100個原子中只有一個化學(xué)鍵發(fā)生了變化,但卻使納米帶狀物的金屬性提高了20倍,從實用性的角度來看,這對使其成為一種性能良好的金屬是很重要的?！盋rommie說。
Fischer 教授和Crommie教授正在與加州大學(xué)伯克利分校的電氣工程師合作,將他們的工具箱中的半導(dǎo)體、絕緣和金屬石墨烯納米帶組裝到工作的晶體管中。
Fischer說:“我相信這項技術(shù)將在未來改變我們構(gòu)建集成電路的方式,這應(yīng)該會使我們比現(xiàn)在可以預(yù)期的硅具有最好的性能提升一大步。我們現(xiàn)在有一條途徑,可以以更低的功耗獲得更快的開關(guān)速度。這就是未來推動碳基電子半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動力?！?/span>
碳基芯片競速賽低調(diào)開啟
過去，中國芯片更像是“在別人的墻基上砌房子”，如今有望在自家院子壘墻。北京大學(xué)電子學(xué)系彭練矛院士，耗二十年之力，終于在碳管研究上實現(xiàn)重大突破。
2020 年，彭練矛和團隊、發(fā)展出全新的提純和自組裝方法，并使用該方法制備出高密度、高純半導(dǎo)體陣列的碳納米管材料，在此基礎(chǔ)上還首次實現(xiàn)性能超越同等柵長硅基 CMOS 技術(shù)的晶體管和電路（CMOS，互補式金氧半導(dǎo)體）。
彭練矛的另一個身份，是北京碳基集成電路研究院院長。該研究院由北京市科委和北京大學(xué)共建。據(jù)他透露，研究院獲得了北京市科委的支持。
此外，科技部納米專項，給予北大碳基團隊共計 20 年的大項目，并提供資金支持 9000 萬元左右；國家自然科學(xué)基金，則提供 6 年共計 1000 萬元的資金支持。
國家科技主管部門，為何對此項目寄予厚望？當(dāng)前，晶體管主要用硅做成，尋找硅的替代品，是學(xué)術(shù)界應(yīng)對摩爾定律 “失效” 的當(dāng)務(wù)之急。早在 2004 年，全球?qū)W術(shù)界就發(fā)現(xiàn)，用碳做的晶體管，可以代替硅晶體管。
然而，近日麻省理工學(xué)院（以下稱 MIT）的一項研究成果，必將給中國的研究帶來競爭。
2020年6月1日，該校的電氣工程與計算機科學(xué)系助理教授馬克斯·舒拉克（Max M. Shulaker），帶領(lǐng)團隊在《自然·電子學(xué)》雜志發(fā)表了題為《在商用硅制造設(shè)施中制造碳納米管場效應(yīng)晶體管》（Fabrication of carbon nanotube field-effect transistors in commercial silicon manufacturing facilities）的論文。
舒拉克團隊改進了一種將襯底浸沒在納米管溶液的沉積技術(shù)，從而讓工業(yè)設(shè)備制造碳管成為可能。他們表示，這將促進碳管盡快應(yīng)用到商業(yè)中。
同樣研究該技術(shù)的彭練矛認為這篇文章并不新鮮，只不過展示了制備薄膜的細節(jié)。但意義比較重大的地方在于，這些工作是在商業(yè)硅基線上做的，它的確代表碳納米管集成電路，將會很快進入公眾視野。
圖 | MIT 團隊近日在《自然·電子學(xué)》發(fā)表的論文不過彭練矛表示，目前 MIT 團隊的薄膜還是無序的，所以就算可以制備出來，性能未必很好。
從經(jīng)驗上來看，彭練矛團隊的能力，也完全可以和舒克拉團隊抗衡。相比舒克拉這位 90 后，彭練矛研究經(jīng)驗更多，論文發(fā)表量也遠超前者，其團隊已在《科學(xué)》發(fā)表三篇論文，在《自然》子刊也發(fā)表過多篇論文。
并且他還在牛津大學(xué)工作過，國際化方面完全不是問題。但 MIT 論文的一個細節(jié)，讓人“細思極恐”。
彭練矛團隊獲得了政府研究資金的大力支持，而 MIT 團隊的研究，除了有美國國防高級研究計劃局三維芯片系統(tǒng)計劃和美國空軍研究實驗室的官方支持外，還有 ADI 和 SkyWater 這樣的半導(dǎo)體公司支持。
圖 | MIT 的研究有半導(dǎo)體公司 ADI 和 SkyWater 的支持來自企業(yè)的支持，正是彭練矛團隊當(dāng)前急需的。他表示，中國企業(yè)并沒有出大錢，也沒有像美國企業(yè)這樣深度參與。
中國決策層常講，“扶上馬送一程”。但是，送上路后，真正被企業(yè)所用，才能體現(xiàn)研究成果的價值。
舒拉克當(dāng)時所在的斯坦福團隊的主要領(lǐng)導(dǎo)者之一，是目前任職臺積電首席科學(xué)家的黃漢森，化學(xué)團隊則由柔性電子領(lǐng)域先驅(qū)、斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系主任兼教授鮑哲南擔(dān)綱。
后來，舒拉克從斯坦福畢業(yè)、并在發(fā)表幾篇論文后，來到 MIT 成為助理教授、繼續(xù)開展碳管研究。
MIT 團隊通過和美國其他高校以及公司合作，在 PDK 和 EDA 工具開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計、工藝工程化等方面更具優(yōu)勢，各方面比較均衡。
相比舒拉克團隊，北大彭練矛團隊在碳基集成電路技術(shù)的基礎(chǔ)- 高性能碳基晶體管和高質(zhì)量碳納米管材料方面，具有領(lǐng)先優(yōu)勢，一些成果已經(jīng)做到世界最佳。
可以說，當(dāng)前全球碳管芯片研究做得最好的，正是 MIT 舒克拉團隊和北大彭練矛團隊。但讓彭練矛擔(dān)心的是，企業(yè)合作是目前最大的短板。
而美國公司和高校之間交流和流動性較好，美國公司普遍愿意給高校投錢做項目，并會提出明確目標，讓高校定期匯報進度。
目前，國內(nèi)公司更愿意在研究方案成熟時，來和高校合作。例如在通信領(lǐng)域，企業(yè)和高校的合作就較多。因為這一般不涉及 “卡脖子” 的硬科技技術(shù)，通過改進算法或模型，就能出產(chǎn)品。
而帶有不確定性的合作，一般短期內(nèi)很難給公司帶來盈利，長期來看也存在一定的風(fēng)險，一般的公司也就沒有給高校投錢的動力。處在行業(yè)引領(lǐng)地位的公司，例如華為，會更關(guān)注基礎(chǔ)研發(fā)這部分，目前已和彭練矛團隊接觸。
對于量產(chǎn)時間，郭鑫稱難度相對較低的物聯(lián)網(wǎng)碳管芯片，預(yù)計三至五年內(nèi)就可能商用。而應(yīng)用于手機和服務(wù)器上的碳管芯片，則需要更長時間，因為這類芯片需要更先進的工藝制程，更復(fù)雜的設(shè)計，更高的集成度，以及更高的產(chǎn)能要求。
此外，當(dāng)下國內(nèi)外廠商中，盡管 IBM 的碳管研究團隊已經(jīng)基本解散，相關(guān)研究人員大都去了美國高校，但是英特爾依然有布局。臺積電也在默默做碳管研究，只是比較低調(diào)。
碳基芯片不能重蹈覆轍
事實上，美國半導(dǎo)體企業(yè)，除參與高校研究之外，還承擔(dān)著類似政府智庫的角色。
2017 年，特朗普剛上任，總統(tǒng)科技顧問委員會就發(fā)布一份名為《如何確保美國在半導(dǎo)體行業(yè)的長期領(lǐng)導(dǎo)地位》的報告。
為寫這份報告，時任美國總統(tǒng)科技助理、兼白宮科技政策辦公室主任約翰 · 霍爾德倫，邀請英特爾前 CEO、飛思卡爾半導(dǎo)體前董事長、全球晶圓代工巨頭格芯前 CEO、高通公司副董事長等，成立領(lǐng)導(dǎo)小組做研究。
他們研究后得出，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的向好發(fā)展，已成為 “讓美國再次偉大” 的威脅。報告首頁直指中國，上面寫道：“中國通過產(chǎn)業(yè)政策以及高達 1000 億美元的大基金，正在按照自己的意圖有計劃地重塑半導(dǎo)體市場，這嚴重威脅到美國半導(dǎo)體行業(yè)的競爭力以及利益相關(guān)方。”
最后，該智囊團為美國半導(dǎo)體繼續(xù)領(lǐng)先世界的目標，定下的策略之一，正是抑制中國創(chuàng)新。報告認為，中國瞄準半導(dǎo)體設(shè)計和生產(chǎn)的全球領(lǐng)導(dǎo)地位，并利用國內(nèi)穩(wěn)步增長的半導(dǎo)體消費市場放大影響。美國覺得這些影響疊加起來，比任何技術(shù)創(chuàng)新的威力都大。
但直到目前，中國半導(dǎo)體行業(yè)，仍未實現(xiàn)世界領(lǐng)先。不然華為怎會被美國逼得想盡辦法找代工廠，甚至還和韓國芯片代工廠商接洽？
如 2018 年倪光南在 “中興事件” 后所言：“有些芯片確實跟國外差距很大，通信領(lǐng)域中興用的很多芯片我們沒有，沒有是因為過去沒重視?！?/span>
比如，臺積電已經(jīng)量產(chǎn) 7nm 芯片，中國大陸的中芯國際還在摸索 14nm。盡管大家對中芯國際的國產(chǎn)替代寄予厚望，但前提是他必須跑得快。
跑得慢，就得受美國制裁。為什么美國能制裁中興和華為？通俗點說就是因為拿人家的手短。
龍芯公司董事長胡偉武，曾比喻稱：“過去地主安心收租，農(nóng)民好好種莊稼；如今農(nóng)民靠積蓄也買了塊地自己種起莊稼，影響了地主家的生意，地主家前些年日子太好過，現(xiàn)在又沒了余糧——怎會不想方設(shè)法收拾農(nóng)民？”
2018 年，“中興事件”發(fā)生幾天后，軍事專家張召忠評論稱：“每當(dāng)我們想創(chuàng)新的時候，美國人總是告訴我們，我這里芯片大大滴有，你們還費那個勁干什么？現(xiàn)在全球經(jīng)濟一體化，都在強調(diào)全球產(chǎn)業(yè)鏈分工合作，中國沒必要研發(fā)芯片。”
這兩年，美國一直希望所有被制裁的中國公司，都可以像中興一樣乖乖就范交罰款。
小到手機，大到信息化戰(zhàn)爭，都有芯片的身影。如果你的手機，有面部解鎖功能，那這正是 AI 芯片的功能。
芯片技術(shù)是國之重器，光有學(xué)術(shù)研究，根本抬不動。中國科學(xué)院微電子研究所所長葉甜春曾說：“集成電路整個技術(shù)從設(shè)計到制造，到目前為止是人類歷史上最精密的設(shè)計、制造加工技術(shù)。（打個比方）集成電路是喜馬拉雅山，核心芯片是珠穆朗瑪峰，需要全世界最高端的技術(shù)?！?/span>
孫悟空翻個跟頭十萬八千里，多次從各路妖精手中解救唐僧，但唐僧隨便念念經(jīng)，就能把孫悟空搞得痛不欲生。缺乏核心技術(shù)，正是中國半導(dǎo)體行業(yè)頭上的一道緊箍咒。
2018 年數(shù)據(jù)顯示，每年光在電腦芯片和處理器芯片上，國外就從中國賺走 100 多億美元。付出如此代價的原因之一，正是因為多數(shù)國內(nèi)廠商，寧肯斥巨資從國外買技術(shù)，也不愿和國內(nèi)學(xué)術(shù)界一塊研發(fā)技術(shù)。
但要想趕超，還得靠創(chuàng)新，盡管創(chuàng)新會有失敗。希望中國在碳基芯片研發(fā)上的良好開局，能夠在產(chǎn)業(yè)化中得以保持，而不是再次經(jīng)歷硅基芯片的教訓(xùn)。
但一味模仿，至多維持不掉隊，要想趕超還是得創(chuàng)新，盡管會有失敗。其實，中國芯片和創(chuàng)業(yè)一樣，要有勇氣去試，不試就永遠落后。
2020年中國國際石墨烯創(chuàng)新大會上，超平銅鎳合金單晶晶圓、8英寸石墨烯單晶晶圓、鍺基石墨烯晶圓等新材料集體亮相，展示了我國在高質(zhì)量石墨烯材料領(lǐng)域的創(chuàng)新成果。在上海市石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺的推動下，科研團隊實現(xiàn)了這些成果的小批量生產(chǎn)，產(chǎn)品尺寸和質(zhì)量處于國際“領(lǐng)跑”水平。
自從2004年石墨烯被分離出來后，物理、化學(xué)、材料、生物等領(lǐng)域的眾多科學(xué)家投身其中，研發(fā)這種讓兩位科學(xué)家獲得諾貝爾物理學(xué)獎的新材料。2009年，中科院上海微系統(tǒng)所科研團隊瞄準石墨烯單晶制備及其電子器件應(yīng)用的關(guān)鍵難題，開始了科技攻關(guān)?！熬拖裰圃旃栊酒牟牧鲜且黄鑶尉ЬA，想用石墨烯等碳基二維材料實現(xiàn)電子器件集成，開啟微電子技術(shù)變革，就必須制備出大尺寸、高質(zhì)量的石墨烯單晶晶圓。”中科院上海微系統(tǒng)所副研究員吳天如解釋說。
可謂“十年磨一劍”，科研團隊在國家科技重大專項、上海市科技創(chuàng)新行動計劃項目支持下，瞄準高質(zhì)量石墨烯制備與高性能器件技術(shù)的制高點，針對晶圓級石墨烯單晶的可控制備，專注于石墨烯新功能的開發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。從生長出單層，到單晶，再到原子級平整的大面積晶圓，上?？茖W(xué)家終于讓石墨烯從用膠帶剝離出幾微米的樣品，升級為可以規(guī)?；a(chǎn)的8英寸晶圓。
上海市石墨烯功能型平臺展示的8英寸石墨烯晶圓為早日實現(xiàn)石墨烯晶圓量產(chǎn)，中科院上海微系統(tǒng)所去年2019年9月與上海市石墨烯功能型平臺簽訂了合作協(xié)議。功能型平臺的創(chuàng)新實驗室適合進行中試，具有“從1到10”的研發(fā)與轉(zhuǎn)化功能。經(jīng)過近一年建設(shè)，這個看似廠房的大型實驗室已實現(xiàn)穩(wěn)定的小批量生產(chǎn)。
目前，一些基于石墨烯、用于數(shù)據(jù)通信的電子組件正在業(yè)界進行原型演示。其中，電子和光子組件已集成到傳輸系統(tǒng)中并經(jīng)過驗證，可實現(xiàn)高速、低功耗的數(shù)據(jù)/電話通信。石墨烯光電探測器的光電模塊，可檢測從可見光到熱范圍的整個波段的光。因此，它們有望為夜視、光譜學(xué)和熱成像技術(shù)提供有成本競爭力的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。此外，原子層薄的石墨烯材料可以充當(dāng)各種物理參數(shù)（化學(xué)成分、濕度、溫度、應(yīng)變等）的強大傳感器，這些單片感應(yīng)平臺與射頻識別天線結(jié)合使用，能用作遠程可讀探測器。
石墨烯太赫茲探測器件（左）和石墨烯高性能射頻晶體管
石墨烯晶圓的小批量生產(chǎn)，為國產(chǎn)新一代電子器件的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。在石墨烯器件集成方面，這類產(chǎn)品已積累了很多國內(nèi)外用戶。中科院、中電集團下屬單位利用滬研材料開展攻關(guān)，突破了石墨烯太赫茲探測器件、高性能射頻晶體管等電子器件的核心工藝。吳天如表示，這些前沿研究和成果轉(zhuǎn)化，有利于解決碳基電子器件實用化面臨的技術(shù)障礙，加速推進我國碳基集成電路技術(shù)的創(chuàng)新跨越發(fā)展。
附：碳納米管小科普
一、偶然被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“明日之子”
半導(dǎo)體早期發(fā)展階段，晶體管由鍺制作。發(fā)現(xiàn)鍺材料制成的芯片難以承受高溫工作條件后，研究人員翻開元素周期表，選出與鍺屬于同族、儲量更足、耐熱性更好的硅成為替代。
相比硅材料的“按圖索驥”，碳基半導(dǎo)體材料被發(fā)現(xiàn)要偶然得多。碳納米管由碳分子管狀排列而成，可看作是由單層石墨卷成了一個“圓筒”，需要由石墨棒等碳材料經(jīng)特殊方法制備而成。
1991年，日本物理學(xué)家飯島澄男就職于日本筑波市的NEC（日本電氣）基礎(chǔ)研究所，專長于納米科學(xué)、電子顯微鏡學(xué)等領(lǐng)域。
當(dāng)時，飯島用高分辨透射電子顯微鏡，觀測用電弧法產(chǎn)生的碳纖維產(chǎn)物，意外發(fā)現(xiàn)了碳納米管。飯島澄男曾在美國、日本指導(dǎo)大量中國學(xué)生，2011年，飯島澄男當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍院士。
▲飯島澄男通過對碳納米管材料的研究，人們發(fā)現(xiàn)它具有相比硅基材料更為優(yōu)異的半導(dǎo)體特性，特別是在高遷移率、納米尺寸、柔性、通透性、生物可兼容性方面。這些優(yōu)異特性意味著碳基集成電路將具備高速率、高能效的優(yōu)勢。
基于上述性能優(yōu)勢，相比硅基晶體管，碳納米管晶體管具有5～10倍的速度和能耗優(yōu)勢，適合用于高端電子學(xué)應(yīng)用、高頻器件應(yīng)用、光通訊電路應(yīng)用、柔性薄膜電子學(xué)應(yīng)用。
二、二十余年成長史：IBM/斯坦福紛紛入局
飯島澄男的發(fā)現(xiàn)開啟了對碳納米管這種材料的研究，也為碳納米管的半導(dǎo)體應(yīng)用買下伏筆。在實際應(yīng)用方面，IBM是“第一個吃螃蟹的勇士”。
1998年，IBM研究人員制作出首個可工作的碳納米管晶體管。從那以后很長時間，IBM一直對碳納米管晶體管表現(xiàn)出濃厚興趣。
2012年，IBM研究人員制造出一個溝道長度為9nm的碳納米管晶體管。這是世界上首個可以在10nm節(jié)點以下工作的晶體管。同年，IBM基于標準半導(dǎo)體制程，研究出將超1萬個碳納米管晶體管集成到一顆芯片中的技術(shù)。
▲IBM制備的9nm溝道長度碳納米管晶體管示意圖2014年，IBM更是拋出豪言壯語，稱要在2020年之前利用碳納米管制備出比其時芯片快5倍的半導(dǎo)體芯片。2017年，IBM研究將碳納米管晶體管尺寸推進40nm。IBM還曾組建一支專攻碳納米管半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)的團隊，就在IBM的T·J·華盛頓研究中心，由Wilfried Haensch領(lǐng)導(dǎo)。
2013年，斯坦福大學(xué)研究團隊用178個碳納米管晶體管制造出一個碳基芯片。當(dāng)時，斯坦福研究人員評論稱：也許有一天硅谷會變成碳谷。
2019年，麻省理工學(xué)院研究人員與芯片制造商Analog Devices合作，制造出全球首個全功能、可編程的16位RISC-V架構(gòu)碳基處理器。該處理器能夠完整地執(zhí)行整套指令集。它還執(zhí)行了經(jīng)典的“Hello，World！”程序的修改版本，打出了“Hello, World！I am RV16XNano，made from CNTs（你好，世界！我是RV16XNano，由碳納米管制成）”。
2019年7月，DARPA召開“電子復(fù)興計劃”。斯坦福–麻省理工的碳納米管項目獲得資助。
半導(dǎo)體廠商巨頭、學(xué)術(shù)研究領(lǐng)先者紛紛下注碳基半導(dǎo)體，再次反證了碳納米管材料在半導(dǎo)體領(lǐng)域的巨大潛能。
但是，這并不代表著對碳納米管半導(dǎo)體技術(shù)的研發(fā)會一帆風(fēng)順。1998年首個碳納米管晶體管研發(fā)至今，碳納米管半導(dǎo)體技術(shù)一直遭遇材料上的瓶頸。長期以來，最小碳納米管CMOS器件的柵長停滯在20nm（2014年 IBM）。
具體來說，為了滿足大規(guī)模高性能集成電路的要求，需要碳納米管晶體管同時滿足兩個要求：
1、排列和密度方面，需要一種高取向陣列方法，要求在1微米中放下100至200根碳納米管，以保證晶體管數(shù)目；
2、純度方面，需要半導(dǎo)體純度大于99.9999%、或者金屬型碳管含量小于0.0001%，以保證半導(dǎo)體性。
目前，在碳納米管半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展較好的外國企業(yè)是美國存儲芯片制造商Nantero。根據(jù)Nantero
官方信息，該公司計劃于今年晚些時候推出基于碳納米管晶體管的NRAM產(chǎn)品。
三、我國的碳基半導(dǎo)體研究“風(fēng)景獨好”
國外碳納米管半導(dǎo)體材料研發(fā)停滯不前六七年。有媒體報道稱，IBM的碳納米管研發(fā)團隊已經(jīng)黯然解散，相關(guān)人員大多進入高校進行學(xué)術(shù)研究。
反觀我國，我國的碳納米材料研究起步較早。1997年，北京大學(xué)成立全國第一個納米科技研究機構(gòu)：北京大學(xué)納米科學(xué)與技術(shù)研究中心。
2002年，清華大學(xué)吳德海教授團隊和美國倫斯勒理工學(xué)院P.M.Ajayan教授合作，首次制備出利用浮動化學(xué)氣相沉積方法制備直徑約為300至500微米的碳納米管束。
同年，清華大學(xué)范守善教授團隊報道了從碳納米管陣列拉絲制備碳納米管纖維的方法。除了這些成就，據(jù)2014年數(shù)據(jù)，我國有超過1000家高校和科研所從事碳納米材料研究活動，在碳納米材料的研究方面不斷創(chuàng)新。
碳納米管半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)方面，相比國外一卡六七年的狀況，我們頗有些“這邊風(fēng)景獨好”的意思。
中國碳基納電子器件代表研究機構(gòu)有中科院、北京大學(xué)、清華大學(xué)等。今年5月份，北京大學(xué)發(fā)起的北京元芯碳基集成電路研究院，在權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Science》上發(fā)表一種全新的碳納米管制備方法，首次同時實現(xiàn)了碳納米管晶體管的高密度、高純度要求。
使用該方法制備的碳納米管純度可達到99.9999%，陣列密度達到120/微米。通過這一技術(shù)，研究人員有望將集成電路技術(shù)推進到3nm節(jié)點以下！
▲北大團隊研發(fā)的晶圓級高質(zhì)量碳管陣列薄膜這個消息一經(jīng)公布，我國從事碳納米材料研發(fā)、生產(chǎn)的幾家企業(yè)股票紛紛開漲。代表的有楚江新材、銀龍股份旗下碳基研究院、中科電氣、丹邦科技等。
在這些公司中，丹邦科技可以算是我國碳基半導(dǎo)體領(lǐng)域的一支強勁力量。丹邦科技成立于2001年，專門從事?lián)闲噪娐放c材料的研發(fā)和生產(chǎn)，是深圳證券交易所中小板上市企業(yè)。
2019年，丹邦科技自主研發(fā)的TPI量子碳基薄膜成功試生產(chǎn)。作為世界上唯一具備TPI量子碳基薄膜量產(chǎn)能力的企業(yè)，據(jù)稱其技術(shù)已被蘋果、華為看中。有消息稱華為已經(jīng)進入中試階段。
TPI量子碳基薄膜具有多層石墨烯結(jié)構(gòu)，主要用于5G手機、芯片、筆電、柔性屏散熱等使用場景。
6月30日，丹邦科技披露了其2019年年度報告。數(shù)據(jù)顯示，2019年丹邦科技營業(yè)收入為約3.47億元，其中PI膜業(yè)務(wù)約占167萬，占比0.48%。
結(jié)語：碳基材料有望挑起未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“大梁”
按照國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖委員會（ITRS）預(yù)測，硅基半導(dǎo)體的性能將在2020年左右達到物理學(xué)極限。
2020年，最先進的芯片制程節(jié)點推進5nm。5nm之后，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)何去何從？哪怕不是2020年，硅基晶體管的尺寸極限終將到來，到那時芯片產(chǎn)業(yè)又該怎么辦？
面對硅基材料的尺寸極限，換用碳基材料不失為一個方法。我國北大研究團隊在制備碳納米管晶體管方面取得的成就正是把碳基半導(dǎo)體向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用推進了一步，也有助于我國為“摩爾定律將終結(jié)”的預(yù)言未雨綢繆。
在北大團隊發(fā)表《Science》論文后的6月1日，麻省理工學(xué)院的碳納米管研究也取得進展。根據(jù)發(fā)表在《自然·電子學(xué)》上的論文，麻省理工研究人員證明了碳納米管可以在工廠量產(chǎn)。
從1991年被發(fā)現(xiàn)至今，碳納米管技術(shù)一直在穩(wěn)步發(fā)展。或許在未來，碳基材料將成為半導(dǎo)體領(lǐng)域“挑大梁”般的存在，讓我們拭目以待。
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9月2日消息，不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫毥谦F公司，隨著阿維塔和賽力斯的入局，華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。
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解密
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8月30日消息，據(jù)媒體報道，騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。
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騰訊
編碼器
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8月28日消息，今天上午，2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行，華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。
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12nm
EDA
半導(dǎo)體
8月28日消息，在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上，華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱，數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。
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12nm
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數(shù)字經(jīng)濟
北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日，由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術(shù)學(xué)會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...
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音頻
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北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上，軟通動力信息技術(shù)（集團）股份有限公司（以下簡稱"軟通動力"）與長三角投資（上海）有限...
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上海2024年8月28日 /美通社/ -- 8月26日至8月28日，AHN LAN安嵐與股神巴菲特的孫女妮可?巴菲特共同開啟了一場自然和藝術(shù)的療愈之旅。 妮可·巴菲特在療愈之旅活動現(xiàn)場合影 ...
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上海2024年8月26日 /美通社/ -- 第二十二屆跨盈年度B2B營銷高管峰會(CC2025)將于2025年1月15-17日在上海舉辦，本次峰會早鳥票注冊通道開啟，截止時間10月11日。 了解更多會議信息：cc.co...
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上海2024年8月26日 /美通社/ -- 今日，高端全合成潤滑油品牌美孚1號攜手品牌體驗官周冠宇，開啟全新旅程，助力廣大車主通過駕駛?cè)ヌ剿鞲鼜V闊的世界。在全新發(fā)布的品牌視頻中，周冠宇及不同背景的消費者表達了對駕駛的熱愛...
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上海2024年8月27日 /美通社/ -- 近來，具有強大學(xué)習(xí)、理解和多模態(tài)處理能力的大模型迅猛發(fā)展，正在給人類的生產(chǎn)、生活帶來革命性的變化。在這一變革浪潮中，物聯(lián)網(wǎng)成為了大模型技術(shù)發(fā)揮作用的重要陣地。 作為全球領(lǐng)先的...
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北京2024年8月27日 /美通社/ -- 高途教育科技公司（紐約證券交易所股票代碼：GOTU）（"高途"或"公司"），一家技術(shù)驅(qū)動的在線直播大班培訓(xùn)機構(gòu)，今日發(fā)布截至2024年6月30日第二季度未經(jīng)審計財務(wù)報告。 2...
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8月26日消息，華為公司最近正式啟動了“華為AI百校計劃”，向國內(nèi)高校提供基于昇騰云服務(wù)的AI計算資源。
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