“后摩尔时代”的碳基技术

沈臻懿

说起芯片，大家早已耳熟能详。在我们的生活环境里，到处都有需要使用芯片的终端——诸如手机、电脑、汽车、家电等产品。想让电子产品实现更快的运行速度、更为持久的电力续航，就离不开芯片、晶体管领域的技术突破。

在过去的半个多世纪里，集成电路技术发展迅猛，半导体制造工艺也在日趋完善。伴随着单位芯片上集成晶体管数量的不断增加，整个芯片行业也遵循着“摩尔定律”高速前行。所谓“摩尔定律”，其核心内容指的就是集成电路上可容纳的晶体管数量每隔18个月左右就会增加一倍，且性能亦将随之提升。

进入21世纪后，随着信息技术的突飞猛进，芯片尺寸在一次次变小的同时，其性能卻在持续提升。以单晶硅为主的半导体芯片，成了信息技术发展的“代名词”。但随着芯片尺寸的不断缩小，硅基芯片的制造工艺难度相应提升。步入“纳米级材料”时代后，受制于器件、材料、技术等多方面因素，传统硅基芯片的发展速度出现了明显放缓。尤其是随着芯片制造工艺从5纳米级逼近2纳米级，硅基芯片的发展逐步趋近于物理极限，其材料潜力已挖掘殆尽，近乎走到了“摩尔定律”的尽头。

碳基芯片中，最好的材料莫过于石墨烯

相较于硅基而言，碳基的优势极为显著。碳基半导体的成本更低，且性能更优、效率更高、功耗更小，适合于不同领域、场景下的应用

从硅基到碳基的技术突破，为柔性电子提供了更优的材料选项。基于碳纳米管（CNT）、石墨烯等碳基柔性材料的电路性能，轻松超越了同等尺寸的硅基电路，且可实现大面积制备，其质量也可满足大规模集成电路的需求

单纯靠制造工艺的优化来提升芯片性能的方法已难以满足未来科技发展的需求。面对这一困境，研究人员也在不断探寻延续“摩尔定律”的新出路。新材料的探寻无疑是“后摩尔时代”提升芯片性能的不二之选，诸如砷化钾、锗、石墨烯和碳等材料，都是研究人员正在摸索的方向。谁能够掌握更好的技术、更好的材料，谁就有可能改变现有硅基芯片的格局，实现半导体领域的弯道超车。在这些技术中，碳基半导体及其芯片无疑是公认的“后摩尔时代”一项颠覆性技术。《国际半导体技术蓝图（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）研究报告》指出，未来半导体行业的关注重心，应汇聚于碳基电子学。

碳基半导体，是在碳基纳米材料基础上发展起来的，即以石墨烯和碳纳米管为代表的一种半导体材料。碳基芯片，便是利用碳基半导体材料制作出来的芯片。

相较于硅基技术而言，碳基技术的优势极为显著：碳基半导体的成本更低，且性能更优、效率更高、功耗更小，适合于不同领域、不同场景下的应用。人们目前使用的智能手机，其芯片均为硅基半导体材料制成，但硅基芯片在损耗性和稳定性方面难以匹敌碳基芯片，这中间有着10倍左右的级差。

研究人员通过比较碳基技术和传统硅基技术发现，采用90纳米工艺制成的碳基芯片，其集成度和性能与28纳米工艺的硅基芯片相吻合;采用28纳米工艺制成的碳基芯片，则可等同实现7纳米工艺的硅基芯片性能。千万不要小看这些数字背后的力量，这意味着一旦碳基芯片得以量产，将直接对现有硅基芯片市场形成颠覆性的冲击。毕竟，从28纳米工艺的碳基技术前推至2到3纳米工艺的碳基技术，中间还隔着很多代，这就意味着新材料在“后摩尔时代”依然还有很大的拓展空间。

碳纳米管材料的应用，是碳基半导体具有显著技术优势的重要支柱。碳纳米管是由呈六边形排列的碳原子所构成的数层到数十层的同轴圆管。由于碳纳米管有着超薄的主体尺寸、优良的导热性能以及超高的载流子迁移率，碳纳米管场效应晶体管处理器的能耗和工作速率相较于硅基处理器，均可达到3倍左右的优势，即9倍左右的能量延迟积（Energy-delay Product，EDP）。

碳基芯片中，最好的材料莫过于石墨烯。石墨烯具有良好的热导率和极高的载流子迁移率等突出性能，能够保证石墨烯晶体管在散热性和信号传输速度等方面完胜传统硅基芯片。“后摩尔时代”中，如果碳基半导体材料能够真正走出实验室，充分展现自身潜力，石墨烯即可在优化芯片散热、实现更小尺寸以及先进封装等方面有着更多的技术突破。

曾几何时，诸如电子皮肤、可穿戴设备等概念，还仅仅见之于科幻电影或科幻小说中。但如今，这些新兴产品已逐步走进人们的生活。电子皮肤、可穿戴设备、柔性显示屏等新兴设备的应用，离不开柔性电子技术的深入发展。所谓柔性电子，即经拉伸、折叠、扭曲等形态变化后仍可保持原有性能的电子设备。当前，柔性电子技术发展的最大瓶颈之一便是材料。现有的柔性材料，要么在电路性能方面远不如硬质的硅基电子材料，要么就是因柔性不足而容易失效。所幸，从硅基到碳基的技术突破，为柔性电子提供了更优的材料选项。基于碳纳米管、石墨烯等碳基柔性材料的电路性能，轻松“碾压”同等尺寸的硅基电路，且可实现大面积制备，其质量也可满足大规模集成电路的需求。

“后摩尔时代”碳基技术一马当先，令其在深空探测、人工智能、智慧医疗、气象监测、卫星导航等领域都有了广阔的舞台。仅以深空探测来说，面对茫茫太空，人们从未停下探索的脚步。发射火箭与卫星、登月、飞抵火星等，都是人类探索太空过程中树起的一座座丰碑。然而，面对深空任务，甚至是探寻太阳系外的未知世界，人类探索太空的阻碍，不仅仅只有火箭飞船等航天器的推进技术，还包括来自芯片的掣肘。

据人类已开展的太空任务证实，无论是人造卫星，还是深空探测器，在“太空旅行”或者飞抵月球、火星时，都会受到持续不断的破坏性宇宙辐射流。这些包含了伽马射线、高能质子和宇宙射线的特殊混合体，不仅对人类有着致命的威胁，还会对航天器搭载的电子设备造成损害，甚至是完全摧毁。据人类已发射的太阳系外探测器传回的数据，太阳系外的宇宙辐射更大。可见，深空探测任务的距离和时长受制于能源效率和坚固性等因素。离开了地球大气的保护，射线粒子对于电子产品的影响会越来越大。高能粒子对元器件会产生瞬态电流或电压峰值，在长时间的负荷积累下，可能造成难以修复的电路故障。当前，电子元器件多为硅基产品。一旦太空中的强烈辐射损坏了机载电子设备，造成数据故障，就有可能导致计算机系统完全瘫痪。

有科研团队发现，碳基芯片在太空中的抗辐射能力远远高于硅基芯片：带有碳纳米管的晶体管和电路在受到大量宇宙辐射后，仍能保持其记忆性和电路特性。如果能将碳纳米管集成至广泛应用的电子元器件中，或用来制备场效应晶体管，这些纳米管的微小尺寸将有助于减少辐射;同时，基于碳基的单原子厚度的晶体管也将比现有的硅基晶体管更为节约能耗。通过研究，如果能证实碳基芯片对于航天器安全有着指数级的提升，碳基技术显然也将成为一种行业刚需。试想一下，如果碳基芯片能够成功抵御源源不断的太空辐射，那么其面对地面上的各类应用场景时，显然也将具备优异的稳定性能。

编辑：黄灵  yeshzhwu@foxmail.com