芯片|功耗降低50倍不用进口光刻机国产芯片要靠“碳”超车？光刻机|功耗降低50倍|不用进口

早在互联网混沌初开之时便已经诞生的摩尔定律，近年来逐渐开始失效。自芯片制程工艺进入7nm时代以来，制程红利日渐消失，技术发展的成本被不断堆高。这使得包括英特尔在内的部分厂商在制程工艺上的发展日渐受阻。
摩尔定律的逐渐失效是因为在现有的芯片制造技术下晶体管都处在一个平面上，其数量不可能无限增长下去。理论上，芯片的极限制程大约为2nm ，现在的芯片制造工艺已经在逼近这个极限。虽然IBM等厂商在尝试3D芯片封装工艺以延续摩尔定律，但在3D堆叠上仍然还存在一些技术问题。
另一方面，目前我国的芯片制造行业在技术上落后于世界，较世界先进水平仍有距离。特别是先进制程工艺芯片的制造在国内仍属空白，这使得我国一些高精尖领域对芯片的需求完全依赖进口。根据统计， 2020年我国在服务器和计算机中的CPU国产市占率仅为不到0.5% ，国产芯片在高性能计算市场中几乎没有存在感。

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如今，以中芯国际为代表的中国芯片代工厂商虽然正在迎头赶上，但要跨越发达国家在芯片领域用几十年时间累积的技术护城河，需要新的机遇。基于纳米碳材料晶体管的碳基芯片技术，也许就是未来国产芯片实现赶超的机会。
在芯片行业整体呼唤变革的当下，或许对我国来说这条路上存在新的可能。
替代硅基的次世代技术——碳基芯片
目前，由于硅基芯片的发展已经逼近极限，各大芯片厂商纷纷寻找芯片行业在未来新的发展方向，碳基芯片就是这其中一颗闪亮的新星。
碳基芯片即基于纳米碳材料晶体管制造的芯片，碳基芯片已经被国内外众多学者和知名芯片制造企业认为是最可能代替硅基芯片的次时代技术。
由于石墨烯和纳米碳管特殊的几何结构，电子在这些材料中的传输速度大大超出了目前的硅基材料。同时，纳米碳结构中没有金属中那种可以导致原子运动的低能缺陷或位错，使得其能够承受的电流强度远远高出目前集成电路中铜互连能承受的电流上限。
这些性质使得纳米碳成为了最理想的纳米尺度的导电材料。
用纳米碳作为材料制造的晶体管，在实验室环境下，其功耗表现优于硅晶体管5倍；碳基集成电路的功耗综合表现优于当前技术50倍。
此外，纳米碳材料加工温度低，工作功耗低的特点，使得其易于三维异构集成，能够克服三维集成电路面临的技术问题。理论上，采用纳米碳材料的三维集成电路与硅基三维集成电路相比功耗具有1000倍的综合优势。
对于我国在芯片领域技术落后的现状，碳基芯片的制造还具有成本低，门槛低的优点。
碳基芯片的材料决定了采用在芯片制造领域中相对简单的平面器件工艺，就可以实现5nm制程。另外，碳基芯片的制造仍然可以沿用目前的硅基芯片制造设备，且在设备比目前先进制程工艺设备落后三代的情况下，仍然可以使得芯片性能与目前先进硅基芯片相当，这使得我国芯片制造行业在新赛道上突破“卡脖子”成为可能。
要想实现碳基芯片的量产，高质量的碳晶体管制备技术至关重要。根据IBM沃森研究中心对碳纳米管集成电路的规划，理想的碳纳米管材料应为定向排列的碳纳米管阵列，最佳间距为5-10nm ，即碳管排列密度为100~200根/μm 。此外，纳米碳管半导体纯度必须大于99.9999% ，该纯度也被成为“六个九水平” 。

芯片|功耗降低50倍 不用进口光刻机 国产芯片要靠“碳”超车？

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