国外碳基半导体芯片进展如何?

事实上,碳基半导体晶体管最早是由美国和荷兰科学家在1998年制造的。直到2006年,中国在碳纳米管晶体管方面还没有明显的成就。可以说我国对碳纳米管晶体管的研究始于2000年,直到7年后才制备出性能优于硅晶体管的N型碳纳米管晶体管。可见国外对碳纳米管晶体管的研究要比我们早很多,但今天我们和国外的差距已经远远小于硅晶体管,甚至有超越国外的趋势。

总的来说,国外对碳纳米管晶体管的研究还是走在我们前面的。2013年,MIT研究团队发表了一台由178个晶体管组成的碳纳米管计算机,只能执行简单的指令。2019年,MIT团队已经能够制造出由14000个碳纳米管晶体管组成的完整处理器。国内2017年制造了一款基于2500个碳纳米管晶体管的处理器,整体性能与Intel 4004相当。至于2019国内是否研发出集成更多碳纳米管晶体管的处理器,目前还没有报道。

因为碳纳米管很容易聚在一起,所以麻省理工学院的团队使用了剥离工艺来防止碳纳米管聚在一起,以防晶体管无法正常工作。要知道麻省理工团队制造的CPU主频只有1Mhz,早期80386处理器的主频还是16Mhz,并不是说2019年碳纳米管制造的计算机性能只相当于1985年制造的硅晶体管处理器。这个差距太大了。离实用化还有很长的路要走。因为碳纳米管晶体管之间的沟道和碳纳米管晶体管的体积太大,碳纳米管晶体管可以容纳的电流和电荷较少。麻省理工学院制造的由14000个碳纳米管晶体管组成的处理器中的沟道宽度为1.5微米,与目前的纳米水平相差甚远。只有减小碳纳米管晶体管的体积和沟道间的距离,才能提高整体性能。

而在国内,2017年研制出栅长为5 nm的碳纳米管晶体管,最近又研制出栅长为3 nm的碳纳米管晶体管。可以说,碳纳米管晶体管的小型化在中国已经走得很远了。2007年左右,国产碳纳米管晶体管制造的处理器主频高达5Ghz,远高于国外2019制造的处理器。从国外的相关产品来看,碳纳米管网格的长度已经到了什么程度还无法说清。不过可以看出,在碳纳米管的研发上,国内技术至少不会比国外技术差太多,而且很可能是同步发展。

碳基半导体芯片真的能帮助中国芯片突破西方的禁锢吗?从此不要依赖阿斯麦了?

我们应该看到最近的新闻。2020年5月26日,北京元欣碳基集成电路研究所宣布,解决了长期困扰碳基半导体材料制备的瓶颈!消息一出,瞬间引起了我们的注意,于是我们聚在一起,认为碳基半导体芯片一定能帮助中国的芯片突破,打破西方的禁锢?从此,它不再依赖阿斯麦。

了解现状——西方国家垄断硅基材料,而这些硅基材料在中国,我们的优势很低;一些关键材料被国家技术垄断。这个时候,要想打破束缚,就必须找到新的思路,所以我们期待的是:碳基半导体能否取代未来的硅基材料?

事实上,有专家表示,由于碳分子结构稳定,朝鲜很难像硅材料那样通过掺杂其他物质来改变其性质。因此,实现碳纳米管的产业化还有很长的路要走。但是,现在,北京元芯碳基集成电路研究所的突破,确实给了我们很大的希望。

碳基半导体成本更低,功耗更低,效率更高。如果能打破硅基半导体材料的束缚,走出一条新的碳基半导体之路,我们的芯片研发可能更有意义。

事实上,陶瓷纤维(织物)如碳纤维(织物)或碳化硅被用作增强材料。其实我们熟悉的石墨烯、生物炭、碳纳米管都是碳基材料。所以碳基材料的真正应用要符合我们的现实还有一段路要走,但我们也已经向前迈进了一步。

在芯片处理上,碳基技术芯片速度提高,功耗降低,未来可以应用到很多领域,比如国防,气象,还有我们现在急需解决的手机芯片,电脑芯片的问题。在这里,我们要知道,相比国外的技术,我国对碳基技术的研究更早,目前的技术是基于彭练矛院士二十年前提出的非掺杂碳基CMOS技术。

所以我们并不担心被国外的技术限制,因为我们的技术是前瞻性的。的确,目前我们的芯片技术仍然有限,特别是在阿斯麦光刻机方面,因为技术的缺乏,工艺受到了限制。

因此,我们的猜测是,碳基材料很可能在未来打破阿斯麦光刻机、欧美芯片的束缚,创造出我们自己的芯片技术。

谢谢你的提问。全球碳基芯片仍在走向量产。

碳基芯片目前处于实验室阶段。IBM和英特尔多年来一直在探索碳基理论,但英特尔无果而终。IBM和英特尔采取了下一步措施,使用“掺杂”工艺来制备碳纳米管晶体管。在国内,彭练矛和张志勇教授团队在半导体碳基半导体材料的制备方面取得了很大进展,已经领先于世界,但只是在走向产业化。

实验室的结果与现实相差甚远。要想真正实现全球碳基芯片的落地和商业化,除了资金充裕之外,现有的芯片必须兼容,直接借用现有的半导体产业工艺,可以大大加快碳基芯片的产业化进程。

碳基技术需要企业的参与。北京碳基集成电路研究所之前一直处于碳基技术的前沿,未来10年的发展至少需要20亿元的R&D投资,这需要企业的产学研对接,企业需要了解价值。阿里巴巴和腾讯都计划投资数千亿元人民币用于新的基础设施,并参与云服务和芯片布局。希望这样的领先技术企业参与“碳基”集成电路,有助于缩短国内碳基技术的商用时间。从全球范围来看,科技企业早期介入非常重要。

欢迎关注、批评和指正。

首先,国外的研究没有任何进展,因为没有企业投钱,而高通的芯片利润又那么高。谁会在一个尚不知道是否成功的项目上投入大量资金?

在探索期,技术还远未成熟,离成熟的产品道路还很远。