中國「碳基晶片」突破，石墨烯碳納米管制作，將帶動全球晶片發展

從人類發現矽基半導體電晶體的存在到現在已經超過60年的歷史，跟隨著摩爾定律的發展，矽基晶片的性能越來越強，裡面的集成度也越來越高，目前一顆高端的晶片中就包含有上百億個晶體，這種發展的現象似乎在詮釋著數量等於「質量」。電晶體的數量越多性能就會越強，當然，這也不是絕對的，比如蘋果的A13處理器只有85億個電晶體,而麒麟990集成了103億個電晶體，但是性能上，蘋果A系列處理器還是穩坐手機處理器第一的寶座。這是因為可以通過軟體系統和晶片架構的優化讓其性能得到充分利用，但是摩爾定律在同類型的晶片上是適用的。

目前在晶片納米工藝製作領域中，臺積電一馬當先，已經實現了5nm晶片的量產，而且已經著手2nm晶片的研發，我們知道，晶片中的電路是通過光刻和蝕刻之後得出來的，這就意味著當矽基晶片達到2nm之後，我們現有的光刻機已經無法達到這種生產要求了，而且付出的成本也會更高。2nm或已經達到矽基晶片的極限。那麼有沒有可能有一種新的方式讓我們打破「以數量取勝」的局面呢。答案就是我們要講的碳基材料。

碳納米管如何做成電子元件

按照傳統矽基晶片的工作方式，計算機是以二進位0和1的方式運行的，通俗的說就是「高和低」、「通和斷」。那麼新型材料的碳基晶片必然也要遵循這個道理，碳納米管需要做成碳管電晶體，這個環節是重要的。

首先我們要解決的是碳納米管的垂直擺放問題，其實也簡單，我們在納米管的一端修飾親水離子，另一端修飾疏水離子，這樣的碳管可以垂直分布在溶液中，當溶液滴在材料表面時。碳管也是垂直在材料表面的，最後完成上下基底的壓緊，通過真空乾燥、惰性的高溫環境下進行固定，這樣碳納米管就能垂直在材料兩端的表面上了。但要實現碳基晶片的批量生產，最關鍵是製備出碳管場效應薄膜，它要求碳管是超高純度、垂直順序排放、大面積排列且高密度均勻排列的碳納米管陣列薄膜，最後我們就完成了P型和N型碳電晶體的製作。

而我國北京大學張志勇、彭練矛課題組，發展出一種全新的提純和自組裝單層碳管的方法，單層碳管直徑為1.45±0.23納米，純度達99.99995%；在4英寸基底上獲得了間隔為5納米的垂直有序排列的碳管陣列。這種無摻雜的碳管CMOS電晶體，性能遠遠領先於傳統的矽基材料。但是想要投入使用的話還需要3-5年的時間。但這也為世界的碳基集成電路發展奠定了堅實的基礎，找到突破矽基晶片性能的極限的方法。

碳基晶片的優缺點

碳基晶片相對於傳統晶片而言，在材料上擁有絕大的優勢，採用碳納米管做成的電晶體導電性能更強，這就讓碳基晶片擁有功耗更小、性能更強、成本更低、硬度更高、韌性更好等特點，可以用來做摺疊設備，比如現在流行的摺疊手機等。

西瓜視頻創作人「東城觀星」介紹碳管電晶體的理論極限運行速度可比矽電晶體快5～10倍，而功耗卻降低到其1/10，因此是極佳的電晶體製備材料，這也是為什麼中國會研究碳納米管的原因。但是碳基集成電路對碳納米管的精度要求非常高，一般是在純度達99.9999%以上，在目前的技術而言，想要批量提存這種類型的納米碳管顯得比較困難，但是隨著技術的突破，碳納米管純度的突破將會帶動我國整個碳基電路的發展。

總結

晶片是機器的大腦，也是整個城市的大腦、未來碳基晶片將被廣泛應用到超級計算機、人工智慧、大數據分析等領域，碳基晶片將和這些高端的科技一同發展，這也是我們基建事業的一個重要組成部分。而目前，我國的碳基晶片技術已經領先了世界。

碳基晶片性能比矽基性能提升10以上，為何卻沒有得到批量的製作呢？未來能否代替矽基晶片，上西瓜視頻，搜索「東城觀星」，帶你了解碳基晶片和矽基晶片的區別在哪裡，碳基晶片是否還需要用到光刻機，以及我國在晶片中布局。漲知識，上西瓜視頻。