中国方案终将使美国所拥有的半导体优势荡然无存！
中国有新突破 ， “硅时代”或将结束 ， 届时芯片全面领先近日 ， 北京大学张志勇教授 ， 彭练矛教授研发了一种新的提纯和自组装方法 ， 制备高密度、高纯度的半导体阵列碳纳米管材料 ， 并在此基础上首次实现了并超过同栅长硅基CMOS工艺的晶体管和电路 ， 展示了碳管电子学的优势 。
从2000年开始 ， 彭练矛在碳基纳米电子领域坚持了近20年 ， 带领研究团队探索用碳纳米管材料制作集成电路的方法 。 早在2017年 ， 彭练矛团队就研发出了5纳米(纳米)栅长碳纳米管CMOS器件 ， 其工作速度是英特尔最先进的14纳米商用硅晶体管的两倍 ， 但能耗仅为硅晶体管的四分之一 。 相关成果于2017年1月发表在《科学》(Science)
2018年 ， 研究团队提出了一种超低功耗狄拉克源场效应晶体管 ， 并发表在《科学》杂志上 。 同年 ， 集成电路由高性能晶体管制成 。简而言之 ， 彭练矛教授研究团队的这一系列成果 ， 就是中国为结束芯片硅时代提供了新的可能 。 自1959年英特尔(Intel)创始人、硅谷缔造者之一罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)发明硅集成电路以来 ， 世界就进入了硅时代 。
如果集成电路(IC)是信息社会的引擎 。 现代社会 ， 每个普通人的生活、工作、娱乐 ， 以及每家公司的生产经营 ， 都牢牢地绑在各类电子产品中的各类芯片上 。 毫不夸张地说 ， 任何拥有最全面、最精密芯片产业链的国家都可以拥有绝对权力 ， 因为切断供应、限制出口会严重损害他国的经济技术发展空间 。
集成电路的核心是硅 ， 无论是制造芯片的设备还是芯片本身的材料 。 数十亿个由硅制成的晶体管集成在硅片上 ， 这些晶体管成为信息时代流动的血液 。 各种文字、数字、声音、图像和色彩的形成 ， 方便了人类的生活 。 可以说 ， 硅(Si)作为集成电路最基础的材料 ， 是建设现代文明社会的砖石 。 我们的吃、穿、住、行都离不开硅构建的半导体产业形成的产品 。 它是近几十年来人类社会快速发展的基石 。 作为硅时代的缔造者 ， 美国在芯片行业也拥有无与伦比的话语权 。
然而 ， 随着摩尔定律接近极限 ， 硅材料禁带宽度窄、电子迁移率低、击穿电场低等缺陷开始逐渐显现 ， 硅在光电子学和高频大功率器件领域的应用受到诸多限制 。 高频工作性能差 ， 不适合高压应用 ， 光学性能无法突破 。所以科学家们一直在寻找新的材料来替代硅 ， 每个国家都提出了自己的计划 ， 并投入了大量的资金进行前期研究 。 因为一旦自己的计划真正取代了硅时代 ， 就意味着它在全球新一代芯片产业中占据核心话语权 。
试想 ， 如果中国方案取代硅时代 ， 那么一旦新材料时代到来 ， 芯片将焕然一新 ， 芯片设计者、芯片设备商、晶圆加工商原有的垄断格局将被彻底打破 ， 那么美国所拥有的半导体优势也将荡然无存 。 这些方案包括石墨烯、碳纳米管、碳化硅、氮化镓等 ， 其中石墨烯、碳纳米管或碳化硅都与碳原子有关 ， 因此大多数国家认为硅时代的结束将是碳时代 。
作为地球上普遍存在的一种碳元素 ， 它与硅属于同一家族 ， 并且具有许多相似的性质 。 碳基半导体具有成本低、功耗低、效率高等优点 ， 更适合于不同领域的应用 ， 成为半导体材料的较好选择 。 然而 ， 科学界普遍认为 ， 碳纳米管的材料性能远优于硅材料 。 碳纳米晶体管的理论极限工作速度比硅晶体管快5~10倍 ， 功耗降低到硅晶体管的10倍 ， 是制备晶体管的优良材料 。 这也是中国研究碳纳米管的原因 。 当然 ， 不仅中国 ， 美国也在研究碳纳米管 。 传统的制备碳纳米管晶体管的方法是对碳纳米管材料进行掺杂 ， 掺杂的杂质控制着晶体管的极性和性能 。
此时 ， 由于碳管充满杂质 ， 将失去运行速度快的优势 ， 增加晶体管功耗 ， 与传统硅材料相比将完全失去竞争力 。 面对技术问题 ， 英特尔等公司纷纷放弃了碳管晶体管的开发 ， 只有IBM公司在继续开发 ， 但只能开发出合格的P型晶体管 。 正如我们刚才提到的 ， 2017年 ， 彭练矛教授的研究团队创造性地研发了一整套高性能碳纳米管晶体管的不掺杂制备方法 ， 最终突破了N型碳纳米管晶体管的跨世纪难题 ， 首次实现了栅长为5 nm的高性能碳管晶体管 ， 性能超过目前最好的硅基晶体管 ， 接近量子力学原理确定的物理极限 。 有望将CMOS技术推向3 nm以下的技术节点 。
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