中美大對決，碳基晶片VS矽基晶片，中國能否直道超車？

目前，在美國的打壓下， 中國晶片產業遭遇了困局，相比於彎道超車，很多中國科學家卻認為這是換道超車的好時機。

目前，全球處於美國開創的矽基晶片時代，隨著集成電路的發展，計算機一直受到摩爾定律的支配，理論研究表明，當晶片製程達到1nm的時候，量子隧穿效應會十分明顯，就是電子不受控制，其實在進入7nm節點後，這個現象就越來越明顯了，電子從一個電晶體跑向另一個電晶體而不受控制，電晶體就喪失了原來的作用。

所以這是人們很擔心的問題，1nm後怎麼辦？目前科學家提出了許多的方案來替代碳基晶片，其中就包括中國提出了的碳基晶片方案。

碳基納米材料在2009年就作為未來技術選項列入國際半導體技術發展路線圖（ITRS），美國IBM公司仿真結果認為平面結構碳管陣列電晶體領先矽基五個技術節點，但是歐美企業一直無法突破碳基晶片的瓶頸。那就是碳納米管由於內部充滿雜質，將會失去原本具有運行速度快的優勢，同時還增加電晶體的功耗，相較傳統的矽材料徹底失去競爭力。具體而言，要實現大規模高性能集成電路，碳納米管必須具備超高半導體純度、順排、高密度、大面積均勻。

北京大學張志勇-彭練矛課題組花費了10年時間，研發了一整套高性能碳納米管電晶體的無摻雜製備方法，突破碳基N型MOS管制備的難題。製備出的器件和電路在真實電子學表現上首次超過了矽基產品。相關成果發表在世界頂級學術期刊《科學》（ Science ）上。

彭練矛教授製造的碳納米管打造的電晶體，速度為同尺寸英特爾商用矽基電晶體的3倍，能耗只有矽基電晶體的25%，同時工藝步驟減少一半。也就是90納米碳基CMOS，性能上相當於28納米矽基器件。

也就是說只要中國研製出28nm的碳基晶片，性能就可以直追上7nm的矽基晶片，這樣就可以繞開光刻機的問題，因為中國目前可以製造出第四代浸沒式光刻機，工藝理論極限在7nm，如果中國利用浸沒式光刻機製造出7nm的碳基晶片，性能上將與2nm的矽基晶片持平，這樣美國對中國的技術限制將徹底打破，依靠中國目前的晶片產業，完全可以自產自研。

張志勇教授宣稱，這次在碳管材料上取得的進展，至少可以在國際上保持兩年優勢。而彭練矛教授則表示，「我們在碳基集成電路這條路上走了20年，還沒有看到什麼令我們覺得走不下去的障礙。」。

一旦中國的碳基晶片方案真的可以取代美國的矽基晶片，影響還不止於此，新材料將通過全新物理機制實現全新的邏輯、存儲及互聯概念和器件，那麼到時候，晶片設計廠商、晶片設備廠商、晶圓加工廠商原有的壟斷格局將徹底打破，所有的技術積累都將全部清零，主導國家將會獲得新一代技術控制權。

當然，中國的碳基晶片方案能否終結矽時代，還要看後續的量產使用，但是起碼中國這次拿到了入場券，可以和其他國家一起同臺競技，不再和上一次一樣，連當觀眾的資格都沒有。

目前，彭練矛教授課題組首次實現了5 nm柵長的高性能碳管電晶體，性能超越目前最好的矽基電晶體，接近量子力學原理決定的物理極限，有望將CMOS技術推進至3 nm以下技術節點。

彭練矛教授接下來的目標要用碳基晶片完全替代目前的矽基晶片，應用在計算機、手機等主流電子設備的CPU（中央處理器）上。

為了實現碳基晶片的量產，目前彭練矛教授決定首先從矽基晶片未涉足的應用或應用較少的領域出發，用碳晶片獨有的技術優勢製備產品，搶佔諸如透明和柔性電子學、生物電子學等細分市場。 在實現這些細分市場的產品商業化之後，再在市場支持和技術進步下，將碳晶片推向成熟、主流市場，最終實現全面市場化的宏偉目標。

碳基晶片技術的突破，將為整個中國的晶片領域發展帶來新的希望，為中國晶片突破西方封鎖、開啟自主創新時代開闢一條嶄新的道路。