劃重點：

1、矽基半導體技術從7nm縮減到5nm節點，相應的晶片效能大約有 20%的增加，而7奈米技術節點下的碳基半導體技術比矽基7nm的效能提高300%，相當於15代矽基技術的改善，有望將摩爾定律續命到2050年。

2、在碳基電子的賽道上，目前選手還僅有中國和美國。

3、中國押注碳基晶片，要的是在下一個晶片世紀，不再吃矽基晶片受制於人的虧。

（全文共2900字，完全閱讀需要大約6分鐘）

在國產晶片技術受制於人的當下，有兩條訊息引人矚目。

一條是AI財經社報道，中科院網站在7月刊登了一則國產5nm光刻技術獲突破的新聞；另一條則是中科院院士的“碳基晶片直道超車”觀點登上網路熱搜。

然而，中科院的訊息不久被刪除，讓人質疑讓人失落。那麼，“碳基晶片直道超車論”又有多少含金量？

開掛的碳基晶片

由於電晶體是晶片的核心元器件，所以聊碳基晶片，需要先說碳基電晶體。

電晶體的型別很多，常見的為MOS場效應電晶體，其基本結構為源極、漏極和柵極，其中源極和漏極是在矽片上，透過摻入或離子注入特定雜質做成，柵極則是在一層二氧化矽絕緣層上，用高電導材料製成。

MOS場效應電晶體的原理是，透過給柵極施加一定電壓，控制源極和漏極之間的通電狀態，從而獲得“0”或“1”的開關特性。

柵極長度（又叫特徵長度）是衡量晶片製程工藝的重要指標，所謂的XX nm就是指柵極長度。當柵極長度降到65nm節點時，電晶體開始出現短溝道效應，這會增大晶片功耗。要控制短溝道效應，就需要不斷減小柵極氧化層，以提高柵極電容。

但減小柵極氧化層又會帶來另一個問題，那就是漏電流（柵極絕緣層流向溝道的電流）的增加。當二氧化矽作為柵極絕緣層，而且其厚度低於5nm時，漏電流就變得無法忍受。

如果電流能像水流那樣可以被肉眼看見的話，晶片內部將是一幅水花四溢的景象。

這樣一來，晶片製程工藝就像鑽進風箱的老鼠，兩頭受氣：應付了短溝道效應問題，又冒出來柵極漏電麻煩；解決掉柵極漏電麻煩，又會放大短溝道效應。典型的讓人抓狂的“按下葫蘆起來瓢”！

更為嚴重的問題是，當柵極長度降低到3nm以下時，矽基晶片的使命就走到盡頭了，摩爾定律一頭撞在了牆上。

這種情況下，作為拯救摩爾定律的未來新星，“貴比黃金，細賽人發”的碳奈米管（CNT）登場了。簡單說，碳奈米管就是將單層的碳原子薄片捲起形成的管狀半導體材料。和矽相比，碳奈米管有很多胎裡帶的優勢，其量子導電特性優於傳統矽電晶體，因此將碳奈米管（CNT）做為導電溝道，替代傳統的透過摻雜獲得的溝道，連線源極和漏極，再在碳奈米管（CNT）上鋪絕緣層（可以是二氧化矽或高K介質），使其與柵極絕緣隔離，就可以製造出優於傳統矽電晶體的碳奈米管場效應電晶體（CNTFET）。

可以看出，碳奈米管場效應電晶體（CNTFET）是傳統矽電晶體的改良，源極、漏極和柵極等基本結構不變，變化的是傳統溝道被碳奈米管替代。

經過改良，碳奈米管場效應電晶體（CNTFET）也爆發出驚人的潛力。

IBM公司公開發表的研究結果表明，基於碳奈米管的半導體晶片在效能和能耗方面都比傳統矽基晶片有顯著改善：矽基半導體技術從7nm縮減到5nm節點，相應的晶片效能大約有 20%的增加，而7奈米技術節點下的碳基半導體技術就比矽基7nm的效能提高300%，相當於15代矽基技術的改善，有望將摩爾定律續命到2050年。

可以說，碳基晶片相對於矽基晶片，就是開掛一般的存在，是全方位的碾壓。

碳基晶片賽道上的中美選手

鑑於碳基晶片的未來如此廣闊誘人，2008年ITRS（國際半導體技術藍圖）以研究報告的形式，明確地向半導體產業界推薦未來的研究重點應聚焦於碳基電子學。

ITRS是誰？它由歐洲、日本、韓國、中國臺灣和美國五個主要晶片製造地區的半導體協會發起組成，可以理解成一個全球性的半導體協會組織。說一點具體的，可能比較好理解ITRS是吃啥飯的。

我們常說的晶片工藝節點數，比如16nm、12nm、10nm、7nm等，這些資料指電晶體的特徵尺寸（柵極長度），而且工藝節點每進化一代，特徵尺寸就縮小到原來的0。7左右，這些都是ITRS定下的規矩。可見，ITRS在全球半導體行業的作用相當於行業風向標。

因此，碳基電子被ITRS推薦，足以影響一個國家半導體產業的發展戰略規劃。就目前來說，進入這一賽道的選手還只有中國和美國。

中國方面，據報道，科技部奈米專項給了北大碳基團隊共計20年的大專案，並提供資金支援 9000 萬元左右；國家自然科學基金則提供6年共計1000萬元的資金支援。

美國押上的，則是重注，而且行動乾脆利落。早在2008年，美國國家科學基金會（NSF）就啟動了“摩爾定律之後的科學與工程”專案，開始碳基晶片研發投入。2011年，美國國家奈米計劃（NNI）啟動了“2020年之後的奈米電子學”專項。僅這2個碳基晶片專案，美國每年的資助額度就超過了2億美元。

中國兩個選手儘管澆灌的方式和水量不同，但也都取得了成績。

中國以北大碳基團隊為代表，（根據其官網資訊）發表了SCI論文150餘篇，在碳基奈米電子上形成了一整套無摻雜製備技術。實際上，在碳奈米電晶體的製造上，北大碳基團隊已有產品面世，應用於射頻和感測器領域。

美國介入碳基晶片的機構比較全面，既有IBM、英特爾這樣的高科技企業，也有斯坦福、麻省理工等高校，並不斷有成果問世。總體來說，美國隊保持領先態勢，特別是2020年6月，麻省理工電氣工程與計算機科學系的助理教授馬克斯·舒拉克（Max M。 Shulaker）帶領團隊，取得了在商用矽製造設施中製造碳奈米管場效應電晶體的成果。中科院院士、北大碳基團隊領頭人彭練矛認為，舒拉克團隊的研究是在商業矽基線上做的，它代表碳奈米管積體電路將會很快進入公眾視野。

換句話說，美國選手可能先製作出碳基晶片。

但是，

總體來說，兩支團隊在全面商業化方面，都遇到了峭壁。

比直道超車更現實的意義

前面說過的ITRS，在2008年對碳基晶片非常樂觀，認為將在 5 ～10年內顯現出巨大的商業價值。如今已過去12年，早已超越ITRS的預測時間段，碳基晶片仍然還是科學家在實驗室擺弄的玩意兒。

早早入局的Inte公司，因為無法搞定高效能的碳奈米管n型電晶體，在2005年宣佈放棄碳基奈米器件的研發，繼續在傳統矽基晶片領域摸爬滾打。

2012年，IBM研發出可用於電晶體的9nm尺寸碳奈米管，但又宣佈暫時不會投產，研究人員還沒有確定如何用碳奈米管去製造一款處理器，因為工藝和技術上還有啃不動的難點。

目前僅有碳奈米電晶體概念產品，相應的碳基晶片，連概念產品也未出現。即使碳奈米電晶體概念產品，價格也相當昂貴。

彭練矛所在的北大元芯碳基積體電路研究院官網上，一個射頻用碳奈米電晶體的售價高達1000元人民幣或150美元，10個電晶體起售。這個價格，除研究用外，是很難推向民用市場的。

另外，碳基晶片耗費的研發時間也太漫長了。電晶體從發明到第一個矽電晶體面世，用了7年時間，到晶片（積體電路）的發明，又花了4年時間。簡單說，從電晶體概念產品到晶片概念產品，一共花了11年時間。

而碳基晶片的研發至今已過去20年，是傳統晶片的近2倍，但碳基晶片概念產品至今連影子都沒有。究其原因，還是因為材料、工藝和技術難點太多，包括：

1、碳奈米管與接觸電極材料匹配難題；

2、碳奈米管純度難以保證；

3、還未解決如何準確放置並有效控制碳奈米管；

4、電路設計上，碳奈米管物理特性理論推斷與實際落差較大；

5、碳奈米管陣列控制的精度不高。

不過，換一個角度看，誰先解決上述難題，誰就可能領跑下一個晶片世紀。目前來看，在美國團隊投入較大、高校和企業聯手的情況下，中方團隊投入較少，又僅靠高校研究機構，想要直道超車，難度不小。但就算中方團隊不能直道超車，也因為參與而擁有了基本的籌碼，避免被卡脖子。

所以，中國押注碳基晶片，直道超車並不現實，更現實的意義是在下一個晶片世紀，不再吃矽基晶片受制於人的虧。