中芯國際回應(yīng)業(yè)務(wù)未涉及石墨烯晶圓，網(wǎng)友質(zhì)疑萬物皆可石墨烯？石墨烯芯片到底是什么？

對于這一問題，中芯國際日前在互動平臺上表示，公司目前業(yè)務(wù)未涉及石墨烯晶圓領(lǐng)域，否認(rèn)了與石墨烯晶圓相關(guān)的消息。除了芯片，石墨烯在新能源汽車領(lǐng)域也曾引發(fā)巨大討論。2021 年初舉辦的某電動車論壇上，中國科學(xué)院院士歐陽明高公開表示：

“ 如果有人告訴你，這車能跑 1000 公里，幾分鐘充滿電，還安全，成本又很低。以目前的技術(shù)來講，他一定是騙子。”

而就在該論壇舉辦前不久，汽車制造商廣汽埃安發(fā)布了一張全新電池科技的海報(bào)，其中就包含了上述字眼，更是提到了石墨烯材料：作為近年來熱度比較高的新興科技概念，石墨烯被認(rèn)為是高科技的代名詞，除了石墨烯電池，在網(wǎng)上隨便一搜就可以看到更多奇奇怪怪的“石墨烯產(chǎn)品”：石墨烯內(nèi)衣褲、石墨烯面膜等等?？梢赃@么說，正如前些年“納米”概念盛行的時(shí)候，任何產(chǎn)品前面加上這兩個(gè)字，價(jià)格就會翻個(gè)幾倍，最近網(wǎng)絡(luò)上的“石墨烯產(chǎn)品”基本上也都是如此。

甚至有人嘲諷“石墨烯”概念就是碩士，博士用來水論文的。

但是石墨烯概念被商家濫用并不意味著石墨烯就完全沒有了研究前景。石墨和石墨烯有關(guān)的材料可以廣泛應(yīng)用在電池電極材料、半導(dǎo)體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、晶體管等方面。鑒于石墨烯材料優(yōu)異的性能及其潛在的應(yīng)用價(jià)值，在化學(xué)、材料、物理、生物、環(huán)境、能源等眾多學(xué)科領(lǐng)域已取得了一系列重要進(jìn)展。

近年來，國內(nèi)石墨烯材料在芯片上的研究也取得了一定的突破。

  # 為什么要研究碳基芯片？# 

1.摩爾定律逼近極限，市場需要新材料的探索

以硅為材料的硅基芯片已經(jīng)發(fā)展了幾十年，人們不停地把越來越多的晶體管集成到小小的芯片上。摩爾在1965年就提出了芯片中的晶體管數(shù)目每18個(gè)月將會翻一番，而性能也隨之提升一倍，這就是摩爾定律。

現(xiàn)在高端手機(jī)芯片中的晶體管已經(jīng)超過100億個(gè)，芯片也已經(jīng)進(jìn)入到10納米以下的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。受到材料、器件以及量子物理的限制，摩爾定律早已經(jīng)逼近天花板。

為了打破摩爾定律，華人科學(xué)家胡正明發(fā)明的FinFET技術(shù)，使得芯片工藝才得以繼續(xù)突破。

不過，胡正明教授認(rèn)為，5nm左右就是物理極限，再往前進(jìn)漏電狀況會加劇，芯片能耗會加劇。

臺積電的2nm工藝，必須要繼續(xù)改良，或許要用上GAAFET技術(shù)。FinFET和GAAFET技術(shù)，雖然可以改善柵極對電流的控制能力，從而提升芯片工藝制程，但這種方法是有終點(diǎn)的。所以，科學(xué)家正在想別的辦法：尋找硅之外的新材料，比如碳材料，以此為基礎(chǔ)，打造碳基芯片。2.碳基芯片可打破光刻機(jī)的限制

芯片制造國產(chǎn)化一直以來的一塊心病。對于硅基晶圓的制造來說，光刻機(jī)必不可少，但是全球光刻機(jī)市場已經(jīng)主要被美國操控；另一方面，光刻機(jī)工藝復(fù)雜，由 5 萬個(gè)零件組成，先進(jìn)光刻機(jī)設(shè)備國內(nèi)仍未突破。

在這種情況下，中國如何能夠在先進(jìn)光刻機(jī)上打破限制成為了國產(chǎn)芯片發(fā)展的重要一環(huán)。

而石墨烯的出現(xiàn)帶來了新的希望：在制造方面，中國可以獲得自主權(quán)；在性能方面，目前已知石墨烯材料比硅基器件在速度、功耗等方面都有優(yōu)勢。

  #碳基芯片國內(nèi)研究突破# 碳基半導(dǎo)體芯片用到的是碳納米管或石墨烯，石墨烯，簡單來說就是碳原子薄膜。

把這個(gè)薄膜卷起來就是一個(gè)碳納米管，相當(dāng)于傳統(tǒng)硅基芯片中的晶體管。

負(fù)責(zé)信號傳輸?shù)碾娮?，可以在這個(gè)管道中穿行。眾多碳納米管經(jīng)過分布排列構(gòu)成集成電路，這就是一個(gè)完整的碳基芯片，所以石墨烯芯片也叫碳基芯片。

理論計(jì)算表明，使用碳納米管制備的晶體管與相同特征的硅晶體管相比，理論上運(yùn)行速度可以提高5至10倍，而功耗則可以降低到十分之一，完美滿足超低功耗芯片的需求。但理論畢竟是理論，想要利用碳管制備芯片還存在著巨大的挑戰(zhàn)。

專業(yè)上來說制備芯片的微納結(jié)構(gòu)主要有兩種策略：

（1）雕刻：一種是從上而下的方法，硅基芯片的制造就是利用了從上而下的微納加工技術(shù)。其中，光刻機(jī)是最重要的部分，它就像雕刻用的刻刀一樣，把器件結(jié)構(gòu)刻畫到硅晶圓上。

（2）搭建：另一類加工方法就是自下而上的方法，像蓋房子一樣，首先我們要有磚頭，再用磚頭一點(diǎn)一點(diǎn)的把房子搭建起來。碳基芯片就是把碳納米管當(dāng)作磚頭來搭建芯片這個(gè)大房子。

想要用碳管來制備碳基芯片，首先要制備大量高純度而且長度均一的碳納米管，來用作碳基芯片的材料基礎(chǔ)。以碳納米管為基礎(chǔ)的碳基芯片，在理論上可行，性能上也很有優(yōu)勢，但技術(shù)一直未能突破。

2020 年，北京大學(xué)電子學(xué)系彭練矛院士和團(tuán)隊(duì)、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(shí)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(bǔ)式金氧半導(dǎo)體）。

2020 年 10 月，在上海舉行的國際石墨烯創(chuàng)新大會上，中科院的團(tuán)隊(duì)制造出的8英寸的石墨烯晶圓正式亮相。攻克了讓無數(shù)美國企業(yè)，望而卻步的石墨烯提純難題，這說明，我國的碳基芯片發(fā)展到了一個(gè)新高度。

與此同時(shí)，在大洋彼岸麻省理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室里，由MIT助理教授Shulaker帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)也在開展碳基芯片的研究。

不過不同的是，在設(shè)計(jì)和處理方面MIT團(tuán)隊(duì)更在乎與現(xiàn)有的硅基芯片的工藝兼容。例如他們使用目前標(biāo)準(zhǔn)的芯片設(shè)計(jì)EDA軟件來實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)，利用以硅基芯片兼容的材料和工藝制備，從而得到14000個(gè)碳基晶體管組成的集成電路。這種處理方式更實(shí)用，也可以讓碳基芯片設(shè)計(jì)更復(fù)雜的電路，更快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)變現(xiàn)。

但MIT當(dāng)前的微處理器工作性能還是硬傷，更像是把硅基芯片中的一些硅基晶體管替換成碳管晶體管，設(shè)計(jì)電路的運(yùn)行速度仍然停留在M赫茲，處在硅基芯片30年前的水平，無法超越硅基芯片，更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到碳納米管電路應(yīng)有的水平。

而北大的工作解決了大面積、高密度碳納米管的排列問題，制造的小型碳基集成電路性能已經(jīng)超越了硅基集成電路，展示了碳管陣列，可以滿足超大規(guī)模集成電路的材料需求。而且這種獨(dú)特的碳管制備工藝可以批量生產(chǎn)。

  #碳基芯片的應(yīng)用難點(diǎn)# 

根據(jù)研究報(bào)道，石墨烯芯片看來是個(gè)不錯(cuò)的方向，其實(shí)應(yīng)用制造難度也很大。首先，我們要提煉純凈的石墨烯，這是難點(diǎn)之一。目前來看，成本相當(dāng)高，提純1克需要5000元。其次，純凈的石墨烯沒法做成邏輯電路，需要改良形態(tài)，把石墨烯改造成碳納米管，以此來充當(dāng)半導(dǎo)體，石墨烯充當(dāng)導(dǎo)電溝道?，F(xiàn)在的硅基芯片則不同，我們只需做提純工作，地球上的硅元素太豐富了，成本也不高。純凈的硅晶片就是制造芯片的絕佳材料。第三呢，碳基芯片或許不需要光刻機(jī)，直接在石墨烯晶圓上切片、刻蝕和注入離子。雖然繞過了5nm光刻機(jī)，可碳基芯片的量產(chǎn)落地，肯定也需要用到類似的高精度設(shè)備。總的來說，石墨烯芯片產(chǎn)業(yè)化還處于初期階段，短時(shí)期內(nèi)想要靠石墨烯芯片彎道超車難度很大，道阻且長，不過要想趕超就得創(chuàng)新，早一點(diǎn)行動，多一分努力，就有希望。