“后摩爾時代”的碳基技術

沈臻懿

說起芯片，大家早已耳熟能詳。在我們的生活環境里，到處都有需要使用芯片的終端——諸如手機、電腦、汽車、家電等產品。想讓電子產品實現更快的運行速度、更為持久的電力續航，就離不開芯片、晶體管領域的技術突破。

在過去的半個多世紀里，集成電路技術發展迅猛，半導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量的不斷增加，整個芯片行業也遵循著“摩爾定律”高速前行。所謂“摩爾定律”，其核心內容指的就是集成電路上可容納的晶體管數量每隔18個月左右就會增加一倍，且性能亦將隨之提升。

進入21世紀后，隨著信息技術的突飛猛進，芯片尺寸在一次次變小的同時，其性能卻在持續提升。以單晶硅為主的半導體芯片，成了信息技術發展的“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提升。步入“納米級材料”時代后，受制于器件、材料、技術等多方面因素，傳統硅基芯片的發展速度出現了明顯放緩。尤其是隨著芯片制造工藝從5納米級逼近2納米級，硅基芯片的發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，最好的材料莫過于石墨烯

相較于硅基而言，碳基的優勢極為顯著。碳基半導體的成本更低，且性能更優、效率更高、功耗更小，適合于不同領域、場景下的應用

從硅基到碳基的技術突破，為柔性電子提供了更優的材料選項。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，且可實現大面積制備，其質量也可滿足大規模集成電路的需求

單純靠制造工藝的優化來提升芯片性能的方法已難以滿足未來科技發展的需求。面對這一困境，研究人員也在不斷探尋延續“摩爾定律”的新出路。新材料的探尋無疑是“后摩爾時代”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。誰能夠掌握更好的技術、更好的材料，誰就有可能改變現有硅基芯片的格局，實現半導體領域的彎道超車。在這些技術中，碳基半導體及其芯片無疑是公認的“后摩爾時代”一項顛覆性技術。《國際半導體技術藍圖（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）研究報告》指出，未來半導體行業的關注重心，應匯聚于碳基電子學。

碳基半導體，是在碳基納米材料基礎上發展起來的，即以石墨烯和碳納米管為代表的一種半導體材料。碳基芯片，便是利用碳基半導體材料制作出來的芯片。

相較于硅基技術而言，碳基技術的優勢極為顯著：碳基半導體的成本更低，且性能更優、效率更高、功耗更小，適合于不同領域、不同場景下的應用。人們目前使用的智能手機，其芯片均為硅基半導體材料制成，但硅基芯片在損耗性和穩定性方面難以匹敵碳基芯片，這中間有著10倍左右的級差。

研究人員通過比較碳基技術和傳統硅基技術發現，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，則可等同實現7納米工藝的硅基芯片性能。千萬不要小看這些數字背后的力量，這意味著一旦碳基芯片得以量產，將直接對現有硅基芯片市場形成顛覆性的沖擊。畢竟，從28納米工藝的碳基技術前推至2到3納米工藝的碳基技術，中間還隔著很多代，這就意味著新材料在“后摩爾時代”依然還有很大的拓展空間。

碳納米管材料的應用，是碳基半導體具有顯著技術優勢的重要支柱。碳納米管是由呈六邊形排列的碳原子所構成的數層到數十層的同軸圓管。由于碳納米管有著超薄的主體尺寸、優良的導熱性能以及超高的載流子遷移率，碳納米管場效應晶體管處理器的能耗和工作速率相較于硅基處理器，均可達到3倍左右的優勢，即9倍左右的能量延遲積（Energy-delay Product，EDP）。

碳基芯片中，最好的材料莫過于石墨烯。石墨烯具有良好的熱導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傳輸速度等方面完勝傳統硅基芯片。“后摩爾時代”中，如果碳基半導體材料能夠真正走出實驗室，充分展現自身潛力，石墨烯即可在優化芯片散熱、實現更小尺寸以及先進封裝等方面有著更多的技術突破。

曾幾何時，諸如電子皮膚、可穿戴設備等概念，還僅僅見之于科幻電影或科幻小說中。但如今，這些新興產品已逐步走進人們的生活。電子皮膚、可穿戴設備、柔性顯示屏等新興設備的應用，離不開柔性電子技術的深入發展。所謂柔性電子，即經拉伸、折疊、扭曲等形態變化后仍可保持原有性能的電子設備。當前，柔性電子技術發展的最大瓶頸之一便是材料。現有的柔性材料，要么在電路性能方面遠不如硬質的硅基電子材料，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突破，為柔性電子提供了更優的材料選項。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，且可實現大面積制備，其質量也可滿足大規模集成電路的需求。

“后摩爾時代”碳基技術一馬當先，令其在深空探測、人工智能、智慧醫療、氣象監測、衛星導航等領域都有了廣闊的舞臺。僅以深空探測來說，面對茫茫太空，人們從未停下探索的腳步。發射火箭與衛星、登月、飛抵火星等，都是人類探索太空過程中樹起的一座座豐碑。然而，面對深空任務，甚至是探尋太陽系外的未知世界，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技術，還包括來自芯片的掣肘。

據人類已開展的太空任務證實，無論是人造衛星，還是深空探測器，在“太空旅行”或者飛抵月球、火星時，都會受到持續不斷的破壞性宇宙輻射流。這些包含了伽馬射線、高能質子和宇宙射線的特殊混合體，不僅對人類有著致命的威脅，還會對航天器搭載的電子設備造成損害，甚至是完全摧毀。據人類已發射的太陽系外探測器傳回的數據，太陽系外的宇宙輻射更大。可見，深空探測任務的距離和時長受制于能源效率和堅固性等因素。離開了地球大氣的保護，射線粒子對于電子產品的影響會越來越大。高能粒子對元器件會產生瞬態電流或電壓峰值，在長時間的負荷積累下，可能造成難以修復的電路故障。當前，電子元器件多為硅基產品。一旦太空中的強烈輻射損壞了機載電子設備，造成數據故障，就有可能導致計算機系統完全癱瘓。

有科研團隊發現，碳基芯片在太空中的抗輻射能力遠遠高于硅基芯片：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用的電子元器件中，或用來制備場效應晶體管，這些納米管的微小尺寸將有助于減少輻射;同時，基于碳基的單原子厚度的晶體管也將比現有的硅基晶體管更為節約能耗。通過研究，如果能證實碳基芯片對于航天器安全有著指數級的提升，碳基技術顯然也將成為一種行業剛需。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，那么其面對地面上的各類應用場景時，顯然也將具備優異的穩定性能。

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com