北大碳基晶片研發突破，採用碳納米管工藝，性能將提升10倍以上

2020-09-03 佰草科技

沙子，一個看似很普通的材料，但是卻有著非同尋常的用途，它可以製作成漂亮的玻璃製品，還可以用作建築材料，甚至還能製作出性能強大的晶片，通過提煉後的沙子會被製作成矽錠，打磨切割後就成了晶圓，而通過光刻和蝕刻等上千道工序後，得到的就是我們想要的晶片。

2nm晶片正被研發

在晶片領域，都在遵循著摩爾定律的發展，當價格不變的情況下，同類型和體積的晶片裡面包含的電晶體每隔18-24個月就會增加一倍，性能也將提升一倍。隨著納米工藝的升級，目前以臺積電為首的晶片生產廠家已經完成5nm工藝的量產，晶片內部包含的電晶體已經達到了上百億顆。按照摩爾定律的說法，如果晶片裡面的電晶體想要繼續增加，就需要更先進的納米工藝，比如臺積電正在研發的2nm工藝，但受到矽材料特性光刻機等設備的條件限制，很多網友覺得，2nm已經到達了矽基晶片的生產極限，想要突破1nm將面臨著非常大的困難。

眼看著摩爾定律馬上就要走到極限，有沒有一種新的方法能繼續延續摩爾定律的發展呢，很多科學家都在想，既然普通的沙子做成的矽晶片都有著如此優異的性能，如果我們把這些材料更換成目前已經研發突破具有超導性能的石墨烯或者碳納米管，那麼晶片的性能是不是會成指數倍的增加呢，答案是肯定的。為了讓大家了解更加深刻，我們先了解一下什麼是納米管，什麼樣的碳納米管才能用來製作晶片呢。

碳納米管是什麼

碳納米管最早發現於1991年，是一種特殊結構一維量子材料，碳納米管形狀為六邊形結構，有著重量輕、韌性好、導電和導熱性能優等特點。碳納米管可以看做是石墨烯片層捲曲而成，根據石墨烯片的層數，可以分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，常用的碳納米管制備方法主要有：電弧放電法、雷射燒蝕法、化學氣相沉積法（碳氫氣體熱解法）、固相熱解法、輝光放電法、氣體燃燒法以及聚合反應合成法等。

被用來製作晶片材料主要是因為碳納米管的超導性能和韌性。根據西瓜視頻創人「52赫茲實驗室」的介紹，使用碳納米管做成的電晶體電子遷移率是矽基材料的1000倍，是突破傳統晶片的主要替代材料之一。並且隨著摺疊屏幕等設備的出現，碳納米管做成的晶片韌性更強，更能促進摺疊式設備的發展。

碳基晶片的優勢

使用矽材料的晶片叫做矽基晶片，而使用碳元素材料的我們稱之為碳基晶片。那麼碳基晶片相比於矽基材料有什麼優勢呢，我們都知道，傳統的計算機一直都是二進位來進行運算的，也就是我們常說的0和1，也就是電晶體的開和關，那麼想要提升計算機的運算速度，很明顯，我們只需要提升電晶體的開關速度就可以了，而碳納米管具備有比矽材料更好的導電性，這就意味著在電路中的損耗更低，電流通過的速度更快，性能也就更強。根據北大的研究數據顯示，碳基晶片相比同柵長的矽基晶片提升約5-10倍左右，而功耗卻只有其十分之一。是突破傳統晶片的一種非常理想的可代替化方案。

碳基晶片製作碰到的困難

既然碳納米管的性能如此優秀，為何我們還不大力生產呢，其實在碳基晶片的量產過程中，我們也遇到了很多的困難，比如碳納米管的提存和堆疊，能用來製作碳基晶片的碳納米管純度必須達到99.9999%以上，雖然在北京大學張志勇、彭練矛課題組的研究下，我國的單層碳管純度已經達到了99.99995%，但是離量產還需要一段時間。除此之外，碳納米管在晶片中如何對方也是目前需要解決的問題，畢竟現在的一顆5nm傳統晶片裡面就包含了上百億個的電晶體，如果要將上百萬甚至上億根的電晶體搭接在一起形成電晶體，暫時還有得到技術上的突破。

我國碳基晶片迎來突破

幾個月前，北大張志勇教授和彭練矛教授課題組研究成果被曝光，我國已經發展出一種全新的提純和自組裝單層碳管的方法，並成功研製出碳基CMOS技術的電晶體和電路。這是碳基晶片首次被研製，也是我國在晶片領域發展的又一重大突破。

據了解，該碳基集成電路是在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。但是張志勇教授和彭練矛教授也表示：我國的碳基晶片研究還處於初級階段，想要投入商用至少還需要3-5年的時間。而且我國相關研究人員的缺乏，也將導致此項研究的進展，國家應該大力的培養相關電子半導體產業的人才。從而才能擺脫對國內半導體產業的依賴。

總結

晶片性能越強，設備的計算性能就越高，而碳基晶片的發現，不僅將突破摩爾定律的極限，在未來將為我們未來的智慧城市和大數據驅動提供充足的動力。國內自主晶片的發展也將成為我國基礎建設的重要部分。根據我國2025年的目標，國產晶片的自給率將達到70%，並且報導提集成電路產業相關的企業還可以獲得10年免稅的政策，很多國產晶片生產廠家也都被推上風頭，未來我國的晶片產業也將會發展的越來越好。

碳基晶片性能如此強悍，它是如何製作的，生產工藝中還需要用到ASML的光刻機嗎，相比於傳統晶片未來的發展前景如何。上西瓜視頻，搜索「52赫茲實驗室」，看帶你追尋碳基晶片的製作原理，揭秘北大研發的碳基晶片是否能真的能擺脫光刻機的控制，了解未來我國在晶片製作領域能否能重新獲得自主權？

相關焦點

  • 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？
    經過理論計算表明，使用碳納米管制備的電晶體比矽電晶體，運行速度提高 5至10倍，而功耗降低至十分之一，完美滿足超低功耗晶片的需求，那碳基晶片能取代矽基晶片嗎？首先碳基晶片在工藝上可以到達更先進的水平，同時碳基晶片的原材料是石墨烯，我們已具備成熟的工藝，在成本上也將比傳統晶片材料便宜。更重要的是，碳基晶片在性能上將提升1000倍。
  • 迎來新突破！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。
  • 北大突破碳基晶片量產關鍵技術！我國晶片可望「換道超車」
    《科學》雜誌評價：該成果突破了長期以來阻礙碳納米管電子學發展的瓶頸，首次在實驗上顯示了碳納米管器件和集成電路相對於傳統技術的性能優勢，顯示了碳納米管電子學在其他材料中鮮有的優勢，為推進碳基半導體技術的實用化和規模工業化奠定了基礎。
  • 碳基晶片新突破，我國8寸石墨烯晶圓有望量產，性能將提升10倍
    為了彌補這種局面，除了在現有的晶片生產工藝中繼續研究和突破，還需要在未來的晶片材料中開始研發。2009年由中科院上海微系統所組建的科研團隊開始對石墨烯等碳基材料能否實現電子器件集成化的研究，該研究的目的主要是讓石墨烯材料替代當前的矽基材料，讓我們在下一代新材料晶片的研究道路上能夠彎道超車。
  • 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
    最近超導體「碳基晶片」的熱度越來越高，那麼是什麼原因讓它受到如此的追捧呢？在晶片的發展中，根據摩爾定律： 「當價格不變的情況下，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。」換句話說就是納米工藝越來越先進，同體積下的晶片中容納的電晶體就越多。
  • 我國碳基晶片獲最大突破，性能比矽基大幅提升！也是未來發展方向
    理論計算表明，使用碳納米管制備的電晶體與相同特徵的矽電晶體相比，理論上運行速度可以提高 5至10倍，而功耗可以降低至十分之一，完美滿足超低功耗晶片的需求。那碳基晶片能取代矽基晶片嗎？我國正式因為沒有光刻機才在晶片領域受到美國影響比較大。如果我國要想在半導體領域取得突破性進展，就必須攻克光刻機，但這難度非常大，短時間內幾乎是不可能完成的。同時，晶片最先進的工藝製程是5nm，也將到達摩爾定律的上限，如果要想繼續提升工藝，在2nm、1nm時，摩爾定律將徹底失效，無法做到更小。
  • 我國碳基晶片獲最大突破,性能比矽基大幅提升!也是未來發展方向
    理論計算表明，使用碳納米管制備的電晶體與相同特徵的矽電晶體相比，理論上運行速度可以提高 5至10倍，而功耗可以降低至十分之一，完美滿足超低功耗晶片的需求。那碳基晶片能取代矽基晶片嗎？目前晶片都採用矽片打造的，必須提供光刻機才能製造出晶片。我國正式因為沒有光刻機才在晶片領域受到美國影響比較大。
  • 碳基晶片帶來的是一場晶片革命
    據科技部門專家介紹，「石墨烯晶片」誕生，採用碳納米管工藝性能或將提升10倍以上。
  • 碳基晶片的研發，一場晶片技術革命即將到來
    現在的晶片都是以矽為基礎材料，大規模的電晶體集成在矽晶圓上，通過不斷的提升和進化生產工藝，集成更多電晶體，提升工作主頻，降低功耗，達到提升晶片性能的目的。目前的晶片（集成電路）工藝製程已經發展到5nm(納米)，再發展就是3nm、1nm，已經快要接近極限了，晶片（集成電路）的發展也將會遇到瓶頸。
  • 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。
  • 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
    而碳基晶片不再採用矽了，直接用碳，相當於原材料的一種顛覆。這種顛覆會帶來什麼？可能會導致晶片材料、製造工藝、製造設備的全部顛覆，如果把握好，原本制約中國芯發展的光刻機、專利、技術、設備等都不是問題了，因為工藝或完全不一樣。所以碳基晶片也被大家認為是中國芯換道超車的一種辦法。
  • IBM利用碳納米管「生長」晶片 速度可提升10倍
    IBM利用碳納米管「生長」晶片 速度可提升10倍鳳凰科技訊 北京時間11月15日消息，據外媒報導，矽在晶片領域的主導地位可能終結。多年來，研究人員和企業家希望碳納米管能給晶片設計帶來一場革命。從理論上說，這種分子水平的結構，能用來製造速度是現有產品6-10倍、能耗大幅降低的晶片。除更快和更節能的筆記本、智慧型手機晶片外，處理能力強大的微型處理器還可以催生新型技術，例如可彎曲計算機和可注射入體內的微型晶片，或殺死人體內癌細胞的納米機器。
  • 中國量子晶片研發突破,比碳基晶片性能更強
    ，他的性能比碳基晶片更加強大。 我們來詳細介紹一下國內以及世界的晶片發展水平，就拿我們國內來說，除了臺積電之外的一些晶片製造企業，工藝僅僅只能達到14納米，而7納米工藝的晶片正在研製之中。
  • 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。
  • 再迎突破！中科60比特量子晶片將刷新世界紀錄，比碳基晶片更強
    那麼科學家們就開始研究一種新型的半導體，比如用碳納米管制作成碳基半導體，最後做成碳基晶片，性能比傳統晶片可提升10倍以上。碳基晶片而新型材料晶片的研發成果突破，讓大家明白了這上百年來，矽基半導體其實並不是唯一可以發展的方向，「沉迷」於矽基半導體的研究可能會成為一種束縛，俗話說「思想有多大，科技就能走多遠」，那麼一種導電性能更好的材料被應用在晶片製作中，那就是碳納米管，碳納米管擁有比矽材料更好的傳導性，自身能量的損耗就越低，那麼自然發熱和能耗就會變低
  • 矽基晶片已到天花板,新材料彎道超車,碳納米管未來是否有潛力?
    相對於傳統的矽晶體晶片，碳基晶片更具有應用前景，而且國內在這方面一直在布局，我們從2000年就開始碳基晶片的研究，終於在今年碳基晶片亮相了，國內也傳來了好消息，北大張志勇-彭練矛課題組突破了半導體碳納米管關鍵材料的瓶頸，使其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。
  • 專訪北大碳基晶片團隊:我們換道走了二十年,覺得能走下去
    在「跟車」的這段時間裡，他們始終沒有等到碳管材料領域出現重大突破，於是接下去的10年裡，課題組放棄傳統摻雜工藝，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。2017年，團隊首次製備出柵長5納米的電晶體，為世界上迄今最小的高性能電晶體，理論上相比當時同尺寸的矽基電晶體具有10倍本徵性能功耗綜合優勢，成果首次登上《科學》雜誌。那麼，這種理論上的優勢能在集成電路的真實表現上兌現幾分？這就是最新這篇《科學》論文講述的故事。
  • 中科院院長白春禮力挺碳基晶片:性能預期將超傳統矽基晶片10倍以上
    中科院院長白春禮在論壇上發表關於科技發展和科技產業發展趨勢的主旨演講，指出以石墨烯等材料為核心的碳基晶片將是晶片技術的未來發展方向，其性能將是傳統矽基晶片的10倍以上。　　白春禮指出，未來科技發展的三個重點方向是：信息科技、生命健康、基礎研究。
  • 北大排列高密度半導體碳納米管,電子學性能超同尺寸矽基器件
    論文描述在4英寸基底上製備了高密度高純半導體陣列碳納米管材料，突破了碳納米管集成電路關鍵的材料瓶頸。張志勇對澎湃新聞表示，該研究團隊目前實際已經可以在8英寸晶圓上製備這種碳管，並開發了全自動的提純和組裝設備，完全具備量產的技術積累。
  • 5納米光刻機或將拋棄,石墨烯晶片迎來突破,性能是矽基晶片10倍
    目前晶片製造的實力來看，暫期國內還沒有哪個公司可以具備麒麟1000處理器，華為在後續的手機配置上很有可能選擇聯發科晶片來替代麒麟處理器。麒麟1000處理器採用臺積電5納米工藝打造，是目前世界上最先進的晶片。相比上一代麒麟990，麒麟1000在電晶體數量方面更上一層樓，有望做到全球集成度第一。