中國押注的碳基晶片，能繞開EUV光刻機嗎？

前兩天，北大彭練矛教授在參加會議的時候說：

之所以彭練矛教授會認為，中國可以憑藉碳基晶片實現直道超車，是因為他在碳基電子學領域，發展了整套碳基CMOS（互補金屬氧化物半導體）集成電路無摻雜製備新技術，首次製備出性能接近理論極限，柵長僅5納米的碳管電晶體，綜合性能超越矽基器件十餘倍。這也標誌著中國碳基晶片已經具備批量化製備的可能性。

那麼碳基晶片出現之後，可以繞開EUV光刻機嗎，實現晶片的自主可控嗎？首先，我們要明白我們為什麼發展碳基晶片，這絕不是彎道超車，而是直道超車，如果想要實現彎道超車，那麼就要在矽基晶片領域中國能夠構建起完整產業鏈，實現高端晶片自產自研，這需要集結全國半導體企業之力，打通半導體產業鏈所有環節，而目前中國在高端晶片領域還十分薄弱。

而直道超車就是我知道在這個領域幹不過你，我就開闢一個新領域來取代你，眾所周知，美國在上個世紀50年代末發明了基於矽材料的集成電路，從而讓信息革命成為可能，可以說，美國是矽時代的開創者也是主導者，但是目前矽晶片已經逼近極限，各大半導體廠商對於3納米以下的晶片走向都沒有明確的答案。

英國半導體應用公司執行長說：「在越來越多的需要提高速度、減少延遲和光檢測的應用中，矽正在達到其性能的極限。」

美國半導體工業協會——成員包括英特爾、AMD和GlobalFoundries——發表了一份報告。這份報告宣稱，到2021年，矽電晶體尺寸的縮小將不再是一件經濟可行的事情。取而代之的是，晶片將以另一種方式發生變化

所以各個國家都在研發新材料取代矽，也就是終結美國開創的矽時代。

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。

比如，目前晶片設計都需要通過EDA工具，可以說，目前全球半導體產業都是圍繞EDA工具設計的晶片所服務的，新思科技、 楷登電子、明導國際這三家美國企業壟斷了全球EDA市場。

一旦矽時代終結，晶片設計方法也需應勢升級，根據阿里達摩院的預測，基於芯粒（chiplet）的模塊化設計方法可取代傳統方法，可以跳過流片快速定製出一個符合應用需求的晶片，讓晶片設計變得像搭積木一樣快速。進一步加快了晶片的交付。

同理，一旦新方案終結了矽基晶片，那麼晶圓的生產工藝就不一樣了，這就是另外一套玩法，我們就可以繞過EUV光刻機，研發其他的設備來製造生產光刻機，比如從架構的角度以全新的方式對晶片進行配置。

即使還需要光刻機，同性能的矽基晶片，對光刻機的精度要求沒有這麼高，甚至對光刻機的工藝要求也不一樣，那ASML的市場壟斷就會被打破。

並沒有哪個國家可以確定，什麼材料可以取代矽時代，一些國家提出利用拓撲絕緣體、二維超導材料，也有國家提出用化合物半導體，比如氮化鎵。

而中國之所以押注碳基電子，是因為科學界普遍認為碳納米管自身的材料性能遠優於矽材料，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，

而其他國家不研究是因為，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。

練矛教授則攻克了這個難題，創造性地研發了一整套高性能碳納米管CMOS電路的無摻雜製備方法，首次實現了5 nm柵長的高性能碳管電晶體，其工作速度3倍於英特爾最先進的14 nm商用矽材料電晶體，能耗卻只有矽材料電晶體的1/4。，接近量子力學原理決定的物理極限，有望採用傳統的平面工藝將CMOS技術推進至3 nm以下技術節點。

中國在碳基晶片領域可以說超越了美國，領先了世界。中國目前通過研究發現，相比傳統的矽基技術，新一代的碳基電子及其信息器件具有更優異的性能，在包括數字電路、射頻/模擬電路、傳感器件、光電器件等所有半導體應用領域都具備革命性的應用前景。

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。

至於很多人說，矽基晶片產業鏈目前已經非常成熟，不可能再有新材料去取代它，當初美國的矽基晶片之所以推行全球，也是採用了「自動升級」的循環流程：通過大規模製造和銷售少數種類的晶片——主要是處理器和存儲晶片——獲得大量收入，然後投錢去改進工廠和設備，結果是在提升晶片性能的同時仍能降低價格，因此市場的需求也獲得進一步提升。從而在短時間內構建了完善的半導體產業鏈，促進了半導體產業的發展，讓信息革命和網際網路革命成為了可能。

如果把晶片比作一棟房子，電晶體就是建房的磚頭，一棟棟的房子就構成了我們的信息社會。關於摩爾定律的終點，業界沒有定論，但 2020 年至 2025 年，是人們普遍認為的摩爾定律「死亡期」。如果那一天真的來到，矽電晶體的尺寸將無法再縮小，晶片性能提升也將接近物理極限。那麼，總會另外一種新材料就會成為新的「磚頭」，新材料等出現，也會發展出新一套的流程，來快速形成新的半導體產業鏈。

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。從而構建完整產業鏈。

希望彭練矛教授的目標可以實現！