lijuan1977

    ...我们最近都很关注的中国芯片领域。谈起芯片，给我们的印象往往是两个字——那就是“追赶”。也就是说，我们在芯片这条赛道上一直在努力缩小跟世界第一梯队的距离。

    但是不知道你有没有想过，在科技领域除了“追赶”之外，其实还有另外一种超越模式，那就是所谓的“换道超车”。我为你推荐的这一项进展，就来自于芯片领域最有可能换道超车的一个赛道。而且在这条赛道上，中国的科学家走在了世界第一梯队。

    5月22号，《科学》杂志发表了一篇来自北京大学的研究进展，北大的张志勇-彭练矛教授课题组制备出了一种高密度、高纯度的半导体碳纳米管阵列。并且以此为基础，首次制作出了性能超越同等条件下传统硅芯片的碳纳米管器件。这一项成果，预示着用碳材料取代现有的硅材料，来制作下一代芯片的技术思路，距离实用化又近了一大步。

    上面这段描述，有很多专业名词。不熟悉芯片技术的读者，听了之后可能有点迷糊。因此，我想带你站在芯片发展的历史，来看一下这项研究背后的来龙去脉。

    你很自然地就会有一个疑问——为什么今天一部分科学家迫不及待地想要抛弃硅材料呢？要知道用硅来制作芯片已经半个多世纪了，就连芯片的诞生地都被叫做硅谷。

    这背后的原因，我们其实此前也反复讲过，就是摩尔定律。摩尔定律的表达方式很多，简单来说就是，根据产业经验，芯片的性能每12-18个月就要翻一倍。虽然这只是一条产业经验，不是什么科学原则，但是从1965年被提出以来，就一直在指导芯片的发展。

    在这半个多世纪的时间里，延续摩尔定律最主要的手段之一，就是把芯片里面最基础组成的单元——也就是硅片上的晶体管越做越小。所以你听到的所谓22nm、14nm、10nm、7nm这些芯片，里面这个多少纳米指的就是芯片里面以硅材料为基础的晶体管的大小。

    但是话又说回来，摩尔定律毕竟不是一条科学法则，把硅片上的晶体管越做越小是会遇到物理极限的。这个极限尺度具体是多少，产业界其实也一直在摸索。最近我刚好请教过一些业内资深的工程师，目前他们感觉硅材料芯片的极限制程差不多是在2nm到1.5nm。

    在这个极限尺度之后，通过缩小晶体管来延续摩尔定律的思路，就不行了。至于硅晶体管为什么不能更小的原因，简单来说，就是因为硅的一些特性，如果晶体管太小，出故障的概率就会急剧升高，把芯片里面上百亿个晶体管协调起来一起工作就非常困难。

    那既然把晶体管变小的这个思路不能用了，可是祖师爷的摩尔定律又不能丢，怎么办呢？如何延续摩尔定律，可以说是当今芯片产业的天字第一号问题。怎么解决这个问题，如今呢就有很多流派。其中很重要的一个流派，就是说我们干脆换个材料吧，不要再用硅做晶体管了，用碳材料。

    为什么这些科学家认为可以用碳元素呢？其实啊，这跟碳元素本身很多优质的特性有关。比如，用碳纳米管做的晶体管，它的电子迁移率可以是硅的1000倍，通俗来说就是碳材料里面电子的群众基础更好。再比如，碳纳米管里面的电子自由程特别长，通俗的理解就是电子的活动更自由，不容易摩擦发热。

    由于这些底层的优点，用碳来做晶体管，甚至不用像硅晶体管那么小，就可以取得同等水平的性能。比如美国国防部2018年支持的一项研究，就希望用90nm规格的碳芯片，实现7nm规格的硅芯片同等的性能。这里再补充一句，即便是用碳来做芯片，也是有很多思路的。不过坦率地说，这些思路大部分还都处在探索阶段。而最接近实用化的，就是北京大学这项研究中涉及的碳纳米管芯片这个领域。早在2013年，美国斯坦福大学就制造出了第一台碳纳米管计算机；而到了2019年8月，美国麻省理工学院发布了全球第一款碳纳米管通用计算芯片，里面包含14000个晶体管。《自然》杂志当时连发三篇文章推荐这项成果，可见当时的轰动性。

    不过你可能也听出来了，即便是去年麻省理工学院发表的这项轰动性的研究，也只包含14000个碳晶体管。这比起现在手机芯片里面动不动就上百亿个晶体管的规模，还差着很远——究竟是哪出了问题呢？这里面的症结，就在制造工艺四个字上。要想制造出性能比肩商用器件的碳纳米管芯片，一个重要的前提就是你得能制造出，高纯度、高密度、排列整齐的碳纳米管阵列。一旦碳纳米管阵列的纯度、密度不够高，或者排列不整齐，就很难可靠地制造出上亿个晶体管这种规模的商用芯片，因为保不齐哪个晶体管就会出现故障。麻省理工在2019年发布的这项研究，所用到碳纳米管阵列的纯度只有四个九，也就是99.99%。而人们猜测这个纯度至少应该在六到八个九的时候，才能够让碳纳米管芯片的性能比肩传统芯片。

    讲了这么半天，就要说到北京大学上个月的这项研究了。北大张志勇-彭练矛教授的科研团队，通过独创的制备工艺，在4英寸的基底上，制备出密度为120/μm、纯度高达六个九，也就是99.9999%的碳纳米管阵列。在密度和纯度这两个重要的指标上，比过去的类似的研究高出了1-2个量级。

    并且基于这种高品质的碳管阵列，研究人员还批量制作出了相应的晶体管和环形振荡器来验证这种新工艺的批量生产潜力。实验发现，这些晶体管和环形震荡器的性能，首次超过了同等尺寸下的传统硅芯片里面的器件，证明了碳芯片确实有可能比硅芯片更强。

    碳纳米管芯片一旦在未来走向产业应用，由于在功耗和性能上的优势，很有可能应用在手机和5G基站这样的场景中。甚至在人体内部、国土边疆，还有太空这样对于能耗要求比较苛刻的场景，也有广泛的应用潜力。比如，芯片的能耗如果能够继续下降两个量级，就可以利用像是人的体液、体温这类非常细微的能量来源进行供电，使用的场景会比现在的消费电子产品更加广阔。

    特别值得一提的是，这项研究的通讯作者彭练矛院士，在碳基纳电子领域深耕将近20年。他为我国保留了在芯片领域碳纳米管芯片这条赛道上，换道超车的可能性。