20年磨一劍，中國「碳基晶片」終發力，領先世界2年「西瓜視頻」

2020-08-18 科技蜂鳥

圖文|科技蜂鳥

8月15日至17日，在湖南湘潭召開了「碳基材料與信息器件研討會」，總共有北大、清華、中科院等科研機構的170餘名代表參會，會上，中國「碳基晶片」領軍人物彭練矛院士做了題為《碳基電子的定位和使命》的報告

「碳基晶片」是近些年來的研究熱門，相比較於已經步入晚年的傳統「矽基晶片」，「碳基晶片」在電子遷移率、結構穩定性方面展現出了強大的生命力，彭練矛院士表示：

沒有晶片技術，就沒有中國的現代化。實現由中國主導晶片技術的『直道』超車，就是碳基電子的定位和使命。

70年高速發展，「矽基晶片」進入瓶頸期

人類歷史上的第一個電晶體誕生於1947年，由當時隸屬於美國通信巨頭的貝爾實驗室研發出來，材料為鍺，由於鍺這種材料很稀有、物理性質不穩定，很快，人類選擇了儲量更豐富、性能更出色的矽作為半導體材料

隨著科學技術的進步，人類逐漸掌握了更先進的半導體加工技術，半導體設備也越來越精密，晶片的製程從130nm一路演進到28nm

這個過程中，英特爾（Intel）創始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）發現了一個規律，每隔18-24個月，集成電路上可容納的電子元器件數目就會翻倍，晶片性能也提升一倍，這就是大名鼎鼎的「摩爾定律」

但是到了14nm，科研人家發現摩爾定律越來越難以維持，隨著晶片中電晶體的間隔越來越小，發熱和穩定性越來越難以控制，由於技術難度太大，很多晶片廠商逐漸放棄了

比如美國的晶片代工巨頭格羅方德在2018年就宣布放棄10nm以下晶片技術的研發，就在上個月，美國的英特爾也再次宣布7nm晶片延遲量產的消息

人類不得不開始思考，「矽基晶片」或許已經走到了盡頭，是時候換個賽道了！

20年砥礪前行，中國成「碳基晶片」領頭羊

目前人類維持摩爾定律的策略有兩個，一是研究更先進的3D立體封裝技術；二是換一種更先進的材料。其中碳納米管就被寄予厚望，是目前最有希望代替矽的半導體材料

在西瓜視頻創作人『52赫茲實驗室』的科普西瓜視頻中曾經有介紹，1991年人類首次發現了碳納米管，但是未來能夠做什麼還是未知數，2000年左右，彭練矛回到北大，開始嘗試研究用碳納米管材料製備集成電路的可行性

當時國外的IBM和美國的杜克大學也有團隊在研究，科學家發現，碳納米管比矽更適合做半導體材料，比如碳納米管的電子遷移率是矽的1000倍，電子自由程也比矽長很多，這樣在同等條件下，碳納米做的半導體就不容易發熱、結構也更穩定

簡而言之，如果分別用碳納米管和矽做晶片，同樣尺寸下，碳納米管做的晶片性能更強，根據理論推算，90nm製程「碳基晶片」的性能至少與28nm製程矽基晶片性能接近，所以，碳基晶片是半導體行業未來能夠持續演進的一條嶄新的賽道！

經過20年發展，換了個賽道的中國半導體技術，終於在「碳基晶片」領域取得重大突破，今年彭練矛院士領銜的北大團隊鄭重宣布：通過採用多次聚合物分散和提純（Multiple-Dispersion Sorting Process）技術，成功研製出世界上首個5nm碳納米管CMOS器件，半導體純度達99.99995%！

北大團隊的張志勇教授對外透露：「中國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。」

寫在最後

北大團隊在碳基晶片上的研究進展給中國晶片產業打了一劑強心針，這說明中國已經有能力在晶片領域做出前沿性的貢獻，目前彭練矛院士的研究團隊正在研究基於碳納米晶片的製備工藝，那麼問題來了，5nm碳納米管CMOS器件能生產什麼製程的碳基晶片？需要多久能造出來？需不需要光刻機？想知道的話，趕緊打開西瓜視頻搜索西瓜視頻創作人『52赫茲實驗室』去觀看吧，所有答案都在裡面~

相關焦點

  • 迎來全新布局，量子晶片研發突破，比碳基晶片性能更強[西瓜視頻]
    隨著市場對晶片性能的要求越來越大，半導體納米晶片一直處於高速發展中，目前由臺積電為代表的製作廠商生產工藝已經達到了5nm標準，未來的2nm製作工藝也正在研發。但是研發人員陸續發現，光是提高晶片的納米工藝，並不能帶來質的飛躍，而且隨著工藝難度的升級，投入的研發成本也越來越高，由此，很多人認為，2nm或將是矽基半導體晶片的瓶頸。
  • 碳基晶片迎來突破！石墨烯材料碳納米管如何製作，西瓜視頻告訴你
    碳基晶片的石墨烯材料是如何製作的想要製作碳基晶片，就需要用到石墨烯，來自西瓜視頻創作人媽咪說MommyTalk在其西瓜視頻中為大家講解了超導體的發展，為我們漲知識。未來碳基晶片的發展碳基晶片的出現和突破，是我國取得的歷史性成就，也為我們提供了打破光刻機瓶頸的方法，並且隨著矽基晶片的開發極限，碳基晶片將成為全球開發的目標
  • 打破傳統布局，比碳基晶片性能更強，看西瓜視頻來了解量子晶片
    隨著市場對晶片性能的要求越來越大，半導體納米晶片一直處於高速發展中，目前由臺積電為代表的製作廠商生產工藝已經達到了5nm標準，未來的2nm製作工藝也正在研發。但是研發人員陸續發現，光是提高晶片的納米工藝，並不能帶來質的飛躍，而且隨著工藝難度的升級，投入的研發成本也越來越高，由此，很多人認為，2nm或將是矽基半導體晶片的瓶頸。
  • 我國「碳基晶片」促進產業布局，從無到有引領行業發展[西瓜視頻]
    扶手椅型納米管是金屬型納米管，具有良好的導電性；而鋸齒形納米管，則是半導體型納米管（下文所說的碳管指的均是半導體型碳納米管），對門電壓敏感，也是碳基晶片中的「主角」。原來一直以為碳管是導體，看了西瓜視頻才知道還有半導體特性的碳管，漲知識了。
  • 未來可期，我國第3代半導體突破，矽基晶片迎來輝煌「西瓜視頻」
    晶片的用途非常廣泛，可以說是隨處可見，晶片的誕生也徹底改變了我們的生活，我們都知道，現在的晶片大部分採用的矽為材料，所以我們稱他為矽基晶片，想要提升晶片的運算性能，除了優化晶片的架構之外，增加電晶體數量的方式能快速增加晶片的性能。目前的製作工藝可以在一個指甲蓋大小的高端晶片中的體積覆蓋上百億個電晶體。
  • 碳基晶片獲突破，性能提升千倍，我國碳基晶片能否實現借道超車？
    同時，我國在傳統半導體領域落後的情況下，但在碳基晶片上，我國已取得了重大突破，具備國際領先水平，這也是我國晶片發展的重要方向，也將藉助碳基晶片超車。最重要的是，我國發現碳基晶片可藉助華為光電技術，為製造碳基晶片已具備成熟條件。
  • 北大碳基晶片研發成功，碳納米管成第3代半導體材料
    晶片的用途非常廣泛，可以說是隨處可見，晶片的誕生也徹底改變了我們的生活，我們都知道，現在的晶片大部分採用的矽為材料，所以我們稱他為矽基晶片，想要提升晶片的運算性能，除了優化晶片的架構之外，增加電晶體數量的方式能快速增加晶片的性能。目前的製作工藝可以在一個指甲蓋大小的高端晶片中的體積覆蓋上百億個電晶體。
  • 中國碳基晶片研究領先全世界！告訴你碳基晶片是怎麼回事
    最近一段時間，北京大學研究團隊製作出碳基晶片，性能遠超同規格矽基晶片的報導，引發了國人的熱議。中國可以彎道超車了嗎？再也不用擔心被極紫外光刻機卡脖子了嗎？華為會不會對碳基晶片做戰略投資？一、背景簡介這件事情，不能拍拍腦袋就瞎說。
  • 20年磨一劍,中國科學家回國創辦矽光子公司
    甘甫烷從事矽光子研究近 20 年，回國前在「矽光子科研重鎮」麻省理工學院(MIT)獲得博士學位。2019 年在和上海交通大學的校友分享其在 MIT 的學術生涯時，他表示當時枯燥難懂的基礎知識尤其是電磁場的各種方程，在後來卻成了半導體研究的利器。在 MIT 讀博期間他學到最多的是 「創造、熱情、自信」。後來之所以回國，原因之一是被中國的科教興國戰略感召。
  • 中國「碳基」晶片,成為全球晶片「珠峰」
    近期，北京華碳元芯電子科技有限責任公司承擔的北京市科技計劃項目「3微米級碳納米管集成電路平臺工藝開發與應用研究」通過驗收，標誌著我國已經正式進入碳基晶片領先的時代。碳基集成電路技術被認為是最有可能取代矽基集成電路的未來信息技術之一。
  • 20年磨一劍,中國科學家回國創辦矽光子公司!|獨家對話
    中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員甘甫烷告訴 DeepTech，「中國比美國更敢投入，而且人員積累、工藝積累、資金的項目積累都做了很長時間，美國比我們走得早，但我們比美國走的更快」。甘甫烷從事矽光子研究近 20 年，回國前在「矽光子科研重鎮」麻省理工學院（MIT）獲得博士學位。
  • 碳基晶片帶來的是一場晶片革命
    作為全球先進的晶片製造商臺積電，在矽基晶片的研發上已經突破到了5nm工藝，並且正在向2nm工藝進發，但2nm之後矽基晶片的工藝似乎遇到了瓶頸。而我國因為受到了美國的制裁，雖然在晶片設計上有所成就，但是在光刻機等製造設備中卻無法突破。兩種情況的趨勢下，全世界科技人員開始了新材料晶片的研發。碳基晶片是否需要光刻機?可以肯定的是，碳基晶片是不需要光刻機的。
  • 北大與MIT硬核較量:後摩爾時代,「碳基半導體」成為中美競逐新焦點
    中國基於矽基CMOS技術的傳統晶片產業一直處於被西方「卡脖子」的相對落後的境地。那麼在矽以外的新材料集成電路領域，中國的勝算幾何，布局多少？經過幾十年的發展，基於碳基的集成電路技術即將進入2-3nm技術節點，摩爾定律即將逼近物理極限的聲音也成為業界主流, 後摩爾時代的納電子科學與技術的研究變得日趨急迫，非矽基納電子技術的發展將可能從根本上影響到未來晶片和相關產業的發展。在若干可能的矽基替代技術中, 碳納米管技術目前已被眾多學者和包括 IBM 在內的大公司認為是最有可能成功的技術。
  • 通過碳基晶片，中國芯要換道超車？背後是北大團隊20年的努力
    通過碳基晶片，中國芯要換道超車？背後是北大團隊20年的努力互眾所周知，近日有一則消息傳出讓大家興奮不已。那就是中國科學院院士、北京大學教授彭練矛和張志勇教授帶領的團隊，經過研究與實踐，解決了長期困擾碳基半導體材料製備的瓶頸，如材料的純度、密度與面積問題。
  • 20年磨一劍，中國科學家回國創辦矽光子公司！｜獨家對話
    甘甫烷從事矽光子研究近 20 年，回國前在「矽光子科研重鎮」麻省理工學院（MIT）獲得博士學位。2019 年在和上海交通大學的校友分享其在 MIT 的學術生涯時，他表示當時枯燥難懂的基礎知識尤其是電磁場的各種方程，在後來卻成了半導體研究的利器。在 MIT 讀博期間他學到最多的是 「創造、熱情、自信」。後來之所以回國，原因之一是被中國的科教興國戰略感召。
  • 碳基晶片:中國趕超歐美的超級晶片
    北京大學教授彭練矛曾這樣解釋它的好，「碳基半導體具有成本更低、功耗更小、效率更高的優勢，中國的的碳基半導體研究是代表世界領先水平的，與國外矽基技術製造出來的晶片相比，中國碳基技術製造出來的晶片在處理大數據時不僅速度更快，而且至少節約30%的功耗。」看到這樣的言論，難免讓國人為之振奮。
  • 矽基晶片已發展至工藝極限，碳納米管真能成為新一代晶片材料嗎？
    2、用一種新材料來代替矽基板生產晶片。2020年5月，在國際知名雜誌《科學》上，發表了一篇來自中國北大團隊關於碳基半導體的論文，文中提到了「高密度碳納米管」的提取和組裝方法。業界將這一成果稱為：碳基半導體進入規模工業化的基礎。
  • 北大突破碳基晶片量產關鍵技術！我國晶片可望「換道超車」
    該項成果在國際上至少能保持2年的領先優勢，表明用碳基晶片取代現有的矽基晶片距離實用化又邁近了一大步，我國可望在碳基晶片研發上「換道超車」！▲2018年5月2日，彭練矛在北京大學金光生命科學大樓一層大廳向國家領導人介紹「領先世界的碳晶片技術
  • 石墨烯未來晶片最佳材料速度或比矽基晶片快100倍「西瓜視頻」
    首先說明，根據科學家的研究，石墨烯是真實存在，是碳的四種同素異形體之一，而且是2004年被英國的兩位科學家發現的，這兩個科學家並因此在2010年獲得了諾貝爾獎。但是石墨烯是一種單層的石墨，所以要進行批量生產有一定的困難，所以到現在也還沒有進行大規模的量產。
  • 碳基晶片,中國已經走在了世界前列!或可實現中國晶片彎道超車
    好在科學家們正在探索用新材料來替代矽製造晶片，從而衝破晶片的物理極限。在這方面，中國科學家已經走在了世界前列，這也為中國晶片產業的換道超車提供了可能。464碳納米管電晶體模型圖片一直以來，晶片都是中國科技領域的短板。儘管中國是世界最大的半導體消費國，目前國產晶片的自給率尚不足三成。