划重点：

1、硅基半导体技术从7nm缩减到5nm节点，相应的芯片性能大约有 20%的增加，而7纳米技术节点下的碳基半导体技术比硅基7nm的性能提高300%，相当于15代硅基技术的改善，有望将摩尔定律续命到2050年。

2、在碳基电子的赛道上，目前选手还仅有中国和美国。

3、中国押注碳基芯片，要的是在下一个芯片世纪，不再吃硅基芯片受制于人的亏。

（全文共2900字，完全阅读需要大约6分钟）

在国产芯片技术受制于人的当下，有两条消息引人瞩目。

一条是AI财经社报道，中科院网站在7月刊登了一则国产5nm光刻技术获突破的新闻；另一条则是中科院院士的“碳基芯片直道超车”观点登上网络热搜。

然而，中科院的消息不久被删除，让人质疑让人失落。那么，“碳基芯片直道超车论”又有多少含金量？

开挂的碳基芯片

由于晶体管是芯片的核心元器件，所以聊碳基芯片，需要先说碳基晶体管。

晶体管的类型很多，常见的为MOS场效应晶体管，其基本结构为源极、漏极和栅极，其中源极和漏极是在硅片上，通过掺入或离子注入特定杂质做成，栅极则是在一层二氧化硅绝缘层上，用高电导材料制成。

MOS场效应晶体管的原理是，通过给栅极施加一定电压，控制源极和漏极之间的通电状态，从而获得“0”或“1”的开关特性。

栅极长度（又叫特征长度）是衡量芯片制程工艺的重要指标，所谓的XX nm就是指栅极长度。当栅极长度降到65nm节点时，晶体管开始出现短沟道效应，这会增大芯片功耗。要控制短沟道效应，就需要不断减小栅极氧化层，以提高栅极电容。

但减小栅极氧化层又会带来另一个问题，那就是漏电流（栅极绝缘层流向沟道的电流）的增加。当二氧化硅作为栅极绝缘层，而且其厚度低于5nm时，漏电流就变得无法忍受。

如果电流能像水流那样可以被肉眼看见的话，芯片内部将是一幅水花四溢的景象。

这样一来，芯片制程工艺就像钻进风箱的老鼠，两头受气：应付了短沟道效应问题，又冒出来栅极漏电麻烦；解决掉栅极漏电麻烦，又会放大短沟道效应。典型的让人抓狂的“按下葫芦起来瓢”!

更为严重的问题是，当栅极长度降低到3nm以下时，硅基芯片的使命就走到尽头了，摩尔定律一头撞在了墙上。

这种情况下，作为拯救摩尔定律的未来新星，“贵比黄金，细赛人发”的碳纳米管（CNT）登场了。简单说，碳纳米管就是将单层的碳原子薄片卷起形成的管状半导体材料。和硅相比，碳纳米管有很多胎里带的优势，其量子导电特性优于传统硅晶体管，因此将碳纳米管（CNT）做为导电沟道，替代传统的通过掺杂获得的沟道，连接源极和漏极，再在碳纳米管（CNT）上铺绝缘层（可以是二氧化硅或高K介质），使其与栅极绝缘隔离，就可以制造出优于传统硅晶体管的碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）。

可以看出，碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）是传统硅晶体管的改良，源极、漏极和栅极等基本结构不变，变化的是传统沟道被碳纳米管替代。

经过改良，碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）也爆发出惊人的潜力。

IBM公司公开发表的研究结果表明，基于碳纳米管的半导体芯片在性能和能耗方面都比传统硅基芯片有显著改善：硅基半导体技术从7nm缩减到5nm节点，相应的芯片性能大约有 20%的增加，而7纳米技术节点下的碳基半导体技术就比硅基7nm的性能提高300%，相当于15代硅基技术的改善，有望将摩尔定律续命到2050年。

可以说，碳基芯片相对于硅基芯片，就是开挂一般的存在，是全方位的碾压。

新赛道上的中美选手

鉴于碳基芯片的未来如此广阔诱人，2008年ITRS（国际半导体技术蓝图）以研究报告的形式，明确地向半导体产业界推荐未来的研究重点应聚焦于碳基电子学。

ITRS是谁？它由欧洲、日本、韩国、中国台湾和美国五个主要芯片制造地区的半导体协会发起组成，可以理解成一个全球性的半导体协会组织。说一点具体的，可能比较好理解ITRS是吃啥饭的。

我们常说的芯片工艺节点数，比如16nm、12nm、10nm、7nm等，这些数据指晶体管的特征尺寸（栅极长度），而且工艺节点每进化一代，特征尺寸就缩小到原来的0.7左右，这些都是ITRS定下的规矩。可见，ITRS在全球半导体行业的作用相当于行业风向标。

因此，碳基电子被ITRS推荐，足以影响一个国家半导体产业的发展战略规划。就目前来说，进入这一赛道的选手还只有中国和美国。

中国方面，据报道，科技部纳米专项给了北大碳基团队共计20年的大项目，并提供资金支持 9000 万元左右；国家自然科学基金则提供6年共计1000万元的资金支持。

美国押上的，则是重注，而且行动干脆利落。早在2008年，美国国家科学基金会（NSF）就启动了“摩尔定律之后的科学与工程”项目，开始碳基芯片研发投入。2011年，美国国家纳米计划（NNI）启动了“2020年之后的纳米电子学”专项。仅这2个碳基芯片项目，美国每年的资助额度就超过了2亿美元。

中国两个选手尽管浇灌的方式和水量不同，但也都取得了成绩。

中国以北大碳基团队为代表，（根据其官网信息）发表了SCI论文150余篇，在碳基纳米电子上形成了一整套无掺杂制备技术。实际上，在碳纳米晶体管的制造上，北大碳基团队已有产品面世，应用于射频和传感器领域。

美国介入碳基芯片的机构比较全面，既有IBM、英特尔这样的高科技企业，也有斯坦福、麻省理工等高校，并不断有成果问世。总体来说，美国队保持领先态势，特别是2020年6月，麻省理工电气工程与计算机科学系的助理教授马克斯·舒拉克（Max M. Shulaker）带领团队，取得了在商用硅制造设施中制造碳纳米管场效应晶体管的成果。中科院院士、北大碳基团队领头人彭练矛认为，舒拉克团队的研究是在商业硅基线上做的，它代表碳纳米管集成电路将会很快进入公众视野。

换句话说，美国选手可能先制作出碳基芯片。

但是，总体来说，两支团队在全面商业化方面，都遇到了峭壁。

比直道超车更现实的意义

前面说过的ITRS，在2008年对碳基芯片非常乐观，认为将在 5 ～10年内显现出巨大的商业价值。如今已过去12年，早已超越ITRS的预测时间段，碳基芯片仍然还是科学家在实验室摆弄的玩意儿。

早早入局的Inte公司，因为无法搞定高性能的碳纳米管n型晶体管，在2005年宣布放弃碳基纳米器件的研发，继续在传统硅基芯片领域摸爬滚打。

2012年，IBM研发出可用于晶体管的9nm尺寸碳纳米管，但又宣布暂时不会投产，研究人员还没有确定如何用碳纳米管去制造一款处理器，因为工艺和技术上还有啃不动的难点。

目前仅有碳纳米晶体管概念产品，相应的碳基芯片，连概念产品也未出现。即使碳纳米晶体管概念产品，价格也相当昂贵。

彭练矛所在的北大元芯碳基集成电路研究院官网上，一个射频用碳纳米晶体管的售价高达1000元人民币或150美元，10个晶体管起售。这个价格，除研究用外，是很难推向民用市场的。

另外，碳基芯片耗费的研发时间也太漫长了。晶体管从发明到第一个硅晶体管面世，用了7年时间，到芯片（集成电路）的发明，又花了4年时间。简单说，从晶体管概念产品到芯片概念产品，一共花了11年时间。

而碳基芯片的研发至今已过去20年，是传统芯片的近2倍，但碳基芯片概念产品至今连影子都没有。究其原因，还是因为材料、工艺和技术难点太多，包括：

• 碳纳米管与接触电极材料匹配难题；
• 碳纳米管纯度难以保证；
• 还未解决如何准确放置并有效控制碳纳米管；
• 电路设计上，碳纳米管物理特性理论推断与实际落差较大；
• 碳纳米管阵列控制的精度不高。

不过，换一个角度看，谁先解决上述难题，谁就可能领跑下一个芯片世纪。目前来看，在美国团队投入较大、高校和企业联手的情况下，中方团队投入较少，又仅靠高校研究机构，想要直道超车，难度不小。但就算中方团队不能直道超车，也因为参与而拥有了基本的筹码，避免被卡脖子。

(正文已经结束)