“后摩爾時(shí)代”的碳基技術(shù)

沈臻懿

說(shuō)起芯片，大家早已耳熟能詳。在我們的生活環(huán)境里，到處都有需要使用芯片的終端——諸如手機(jī)、電腦、汽車、家電等產(chǎn)品。想讓電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)更快的運(yùn)行速度、更為持久的電力續(xù)航，就離不開(kāi)芯片、晶體管領(lǐng)域的技術(shù)突破。

在過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)里，集成電路技術(shù)發(fā)展迅猛，半導(dǎo)體制造工藝也在日趨完善。伴隨著單位芯片上集成晶體管數(shù)量的不斷增加，整個(gè)芯片行業(yè)也遵循著“摩爾定律”高速前行。所謂“摩爾定律”，其核心內(nèi)容指的就是集成電路上可容納的晶體管數(shù)量每隔18個(gè)月左右就會(huì)增加一倍，且性能亦將隨之提升。

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，芯片尺寸在一次次變小的同時(shí)，其性能卻在持續(xù)提升。以單晶硅為主的半導(dǎo)體芯片，成了信息技術(shù)發(fā)展的“代名詞”。但隨著芯片尺寸的不斷縮小，硅基芯片的制造工藝難度相應(yīng)提升。步入“納米級(jí)材料”時(shí)代后，受制于器件、材料、技術(shù)等多方面因素，傳統(tǒng)硅基芯片的發(fā)展速度出現(xiàn)了明顯放緩。尤其是隨著芯片制造工藝從5納米級(jí)逼近2納米級(jí)，硅基芯片的發(fā)展逐步趨近于物理極限，其材料潛力已挖掘殆盡，近乎走到了“摩爾定律”的盡頭。

碳基芯片中，最好的材料莫過(guò)于石墨烯

相較于硅基而言，碳基的優(yōu)勢(shì)極為顯著。碳基半導(dǎo)體的成本更低，且性能更優(yōu)、效率更高、功耗更小，適合于不同領(lǐng)域、場(chǎng)景下的應(yīng)用

從硅基到碳基的技術(shù)突破，為柔性電子提供了更優(yōu)的材料選項(xiàng)。基于碳納米管（CNT）、石墨烯等碳基柔性材料的電路性能，輕松超越了同等尺寸的硅基電路，且可實(shí)現(xiàn)大面積制備，其質(zhì)量也可滿足大規(guī)模集成電路的需求

單純靠制造工藝的優(yōu)化來(lái)提升芯片性能的方法已難以滿足未來(lái)科技發(fā)展的需求。面對(duì)這一困境，研究人員也在不斷探尋延續(xù)“摩爾定律”的新出路。新材料的探尋無(wú)疑是“后摩爾時(shí)代”提升芯片性能的不二之選，諸如砷化鉀、鍺、石墨烯和碳等材料，都是研究人員正在摸索的方向。誰(shuí)能夠掌握更好的技術(shù)、更好的材料，誰(shuí)就有可能改變現(xiàn)有硅基芯片的格局，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體領(lǐng)域的彎道超車。在這些技術(shù)中，碳基半導(dǎo)體及其芯片無(wú)疑是公認(rèn)的“后摩爾時(shí)代”一項(xiàng)顛覆性技術(shù)。《國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）研究報(bào)告》指出，未來(lái)半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)注重心，應(yīng)匯聚于碳基電子學(xué)。

碳基半導(dǎo)體，是在碳基納米材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，即以石墨烯和碳納米管為代表的一種半導(dǎo)體材料。碳基芯片，便是利用碳基半導(dǎo)體材料制作出來(lái)的芯片。

相較于硅基技術(shù)而言，碳基技術(shù)的優(yōu)勢(shì)極為顯著：碳基半導(dǎo)體的成本更低，且性能更優(yōu)、效率更高、功耗更小，適合于不同領(lǐng)域、不同場(chǎng)景下的應(yīng)用。人們目前使用的智能手機(jī)，其芯片均為硅基半導(dǎo)體材料制成，但硅基芯片在損耗性和穩(wěn)定性方面難以匹敵碳基芯片，這中間有著10倍左右的級(jí)差。

研究人員通過(guò)比較碳基技術(shù)和傳統(tǒng)硅基技術(shù)發(fā)現(xiàn)，采用90納米工藝制成的碳基芯片，其集成度和性能與28納米工藝的硅基芯片相吻合;采用28納米工藝制成的碳基芯片，則可等同實(shí)現(xiàn)7納米工藝的硅基芯片性能。千萬(wàn)不要小看這些數(shù)字背后的力量，這意味著一旦碳基芯片得以量產(chǎn)，將直接對(duì)現(xiàn)有硅基芯片市場(chǎng)形成顛覆性的沖擊。畢竟，從28納米工藝的碳基技術(shù)前推至2到3納米工藝的碳基技術(shù)，中間還隔著很多代，這就意味著新材料在“后摩爾時(shí)代”依然還有很大的拓展空間。

碳納米管材料的應(yīng)用，是碳基半導(dǎo)體具有顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)的重要支柱。碳納米管是由呈六邊形排列的碳原子所構(gòu)成的數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。由于碳納米管有著超薄的主體尺寸、優(yōu)良的導(dǎo)熱性能以及超高的載流子遷移率，碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管處理器的能耗和工作速率相較于硅基處理器，均可達(dá)到3倍左右的優(yōu)勢(shì)，即9倍左右的能量延遲積（Energy-delay Product，EDP）。

碳基芯片中，最好的材料莫過(guò)于石墨烯。石墨烯具有良好的熱導(dǎo)率和極高的載流子遷移率等突出性能，能夠保證石墨烯晶體管在散熱性和信號(hào)傳輸速度等方面完勝傳統(tǒng)硅基芯片。“后摩爾時(shí)代”中，如果碳基半導(dǎo)體材料能夠真正走出實(shí)驗(yàn)室，充分展現(xiàn)自身潛力，石墨烯即可在優(yōu)化芯片散熱、實(shí)現(xiàn)更小尺寸以及先進(jìn)封裝等方面有著更多的技術(shù)突破。

曾幾何時(shí)，諸如電子皮膚、可穿戴設(shè)備等概念，還僅僅見(jiàn)之于科幻電影或科幻小說(shuō)中。但如今，這些新興產(chǎn)品已逐步走進(jìn)人們的生活。電子皮膚、可穿戴設(shè)備、柔性顯示屏等新興設(shè)備的應(yīng)用，離不開(kāi)柔性電子技術(shù)的深入發(fā)展。所謂柔性電子，即經(jīng)拉伸、折疊、扭曲等形態(tài)變化后仍可保持原有性能的電子設(shè)備。當(dāng)前，柔性電子技術(shù)發(fā)展的最大瓶頸之一便是材料。現(xiàn)有的柔性材料，要么在電路性能方面遠(yuǎn)不如硬質(zhì)的硅基電子材料，要么就是因柔性不足而容易失效。所幸，從硅基到碳基的技術(shù)突破，為柔性電子提供了更優(yōu)的材料選項(xiàng)。基于碳納米管、石墨烯等碳基柔性材料的電路性能，輕松“碾壓”同等尺寸的硅基電路，且可實(shí)現(xiàn)大面積制備，其質(zhì)量也可滿足大規(guī)模集成電路的需求。

“后摩爾時(shí)代”碳基技術(shù)一馬當(dāng)先，令其在深空探測(cè)、人工智能、智慧醫(yī)療、氣象監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域都有了廣闊的舞臺(tái)。僅以深空探測(cè)來(lái)說(shuō)，面對(duì)茫茫太空，人們從未停下探索的腳步。發(fā)射火箭與衛(wèi)星、登月、飛抵火星等，都是人類探索太空過(guò)程中樹(shù)起的一座座豐碑。然而，面對(duì)深空任務(wù)，甚至是探尋太陽(yáng)系外的未知世界，人類探索太空的阻礙，不僅僅只有火箭飛船等航天器的推進(jìn)技術(shù)，還包括來(lái)自芯片的掣肘。

據(jù)人類已開(kāi)展的太空任務(wù)證實(shí)，無(wú)論是人造衛(wèi)星，還是深空探測(cè)器，在“太空旅行”或者飛抵月球、火星時(shí)，都會(huì)受到持續(xù)不斷的破壞性宇宙輻射流。這些包含了伽馬射線、高能質(zhì)子和宇宙射線的特殊混合體，不僅對(duì)人類有著致命的威脅，還會(huì)對(duì)航天器搭載的電子設(shè)備造成損害，甚至是完全摧毀。據(jù)人類已發(fā)射的太陽(yáng)系外探測(cè)器傳回的數(shù)據(jù)，太陽(yáng)系外的宇宙輻射更大。可見(jiàn)，深空探測(cè)任務(wù)的距離和時(shí)長(zhǎng)受制于能源效率和堅(jiān)固性等因素。離開(kāi)了地球大氣的保護(hù)，射線粒子對(duì)于電子產(chǎn)品的影響會(huì)越來(lái)越大。高能粒子對(duì)元器件會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電流或電壓峰值，在長(zhǎng)時(shí)間的負(fù)荷積累下，可能造成難以修復(fù)的電路故障。當(dāng)前，電子元器件多為硅基產(chǎn)品。一旦太空中的強(qiáng)烈輻射損壞了機(jī)載電子設(shè)備，造成數(shù)據(jù)故障，就有可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完全癱瘓。

有科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，碳基芯片在太空中的抗輻射能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅基芯片：帶有碳納米管的晶體管和電路在受到大量宇宙輻射后，仍能保持其記憶性和電路特性。如果能將碳納米管集成至廣泛應(yīng)用的電子元器件中，或用來(lái)制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管，這些納米管的微小尺寸將有助于減少輻射;同時(shí)，基于碳基的單原子厚度的晶體管也將比現(xiàn)有的硅基晶體管更為節(jié)約能耗。通過(guò)研究，如果能證實(shí)碳基芯片對(duì)于航天器安全有著指數(shù)級(jí)的提升，碳基技術(shù)顯然也將成為一種行業(yè)剛需。試想一下，如果碳基芯片能夠成功抵御源源不斷的太空輻射，那么其面對(duì)地面上的各類應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，顯然也將具備優(yōu)異的穩(wěn)定性能。

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com