碳基技术制造的芯片(北大碳基芯片PK国外硅基芯片，未来谁是主流？国芯能否实现超车？)

2021年5月26日，我国芯片行业传出好消息，这是继台积电1纳米突破后，又一个引发全球半导体行业震动的消息。因为传统的硅基芯片即将到达物理极限，国产芯片只有实现弯道超车，才有可能突破人家的封锁。

我国芯片行业取得了什么进展？在半导体行业即将到达，摩尔极限的这个关头，对于国产芯片的发展又有什么重大的作用？为啥罗叔要说只有实现弯道超车，才能突破封锁呢，咱们先来看看摩尔极限是什么。

上世纪60年代，英特尔的创始人之一，戈登摩尔根据经验，总结出了芯片发展的规律。他发现在价格不变的情况下，一个芯片上可以容纳的晶体管数量，大约每隔18-24月，就要增加一倍，同时性能也会提升一倍。

在半导体产业发展的大半个世纪里，芯片的生产一直也延续着这个规律，芯片的“细胞”晶体管，也越来越小。直至现在，市面上能实现量产的最先进的芯片，就是5纳米的。你可能不了解5纳米是一个什么概念，这里罗叔解释一下。

5纳米是一个长度单位，比毫米微米还要小，是人的肉眼无法分辨出来的。举一个例子，你可以扯下自己的一根头发，把它分割成1万份，那其中的1份，直径就是5纳米，这是目前市面上最常见的芯片最小单位，至于台积电1纳米芯片的突破，则是在材料等领域实现的，距离量产还有一段时间。因为在5纳米之后，人们发现，要在芯片的3纳米和1纳米领域实现突破，越来越艰难，这些年相关企业的研究进展，也越来越缓慢。

2009年，全球的芯片行业遭遇重创，从那之后，人们发现摩尔定律开始放缓，从一开始的快速发展脚步逐渐放慢，2011年22纳米发布，2016年10纳米发布，一直到2019年5纳米发布，（上面一系列数据均为量产时间）。随着芯片上面的晶体管数量越来越多，工程师们面临的挑战也越来越多。

当时5纳米研究出来后，晶体管的发展一度面临困境，如果要实现3纳米，就不可避免地要经历，穿过栅氧化层的量子隧穿，但即使采用这种技术，芯片的三维结构也会出现漏电的情况。所以当时5纳米一度被认为，是摩尔定律的终点，三星被困在这个工艺好久都没有突破。直到2017年，台积电直接宣布3纳米实现量产，一举实现对三星和英特尔的超车，成为全球芯片代工的龙头老大。

但任何事物的发展都是有极限的，企业要想发展就要走一步看三步，甚至是10步20步，台积电也正式凭借着这个，才能在半导体行业取得第一。2021年5月17号，在电子巨头IBM宣布，2纳米芯片问世11天后，台积电直接宣布1纳米工艺实现突破，虽然目前还只是理论阶段，但以罗叔的了解，1纳米的量产时代很快也会到来。

遗憾的是，我国内地的半导体产业，仍然落后于世界领先水平，目前已知的中芯国际还在，14纳米和58纳米领域停滞，华为要想实现麒麟芯片的量产，还是遥遥无期。

那么问题就来了，我国什么时候能摆脱封锁，在半导体行业实现超车呢，看过罗叔视频的朋友可能都知道，芯片的发展是需要资本积累的，在过去的半个多世纪，硅芯片的发展一直是靠着盈利，进行研发和更新换代的，而内地的半导体产业因为一些原因，在80年代后就一直是落后的状态。

直到21世纪初，我们才开始认识到芯片的重要性，并且一直投入人力物力进行研究，但经过长时间的发展，世界的半导体市场早已被国外大企业，牢牢掌握在手里，核心技术更是层层把关严格保密，我国要想实现突破可谓是难上加难。于是这时就有人提出，硅芯片是有物理极限的，我们可以换种材料，用碳材料代替硅做晶体管，这样就有了在未来不被卡脖子的可能。

这时你可能就要问了，为什么是碳而不是别的材料呢，这是因为石墨烯的结构非常稳定，它的运行速度比硅晶体管要快上5-10倍，功耗也有所降低，性能更是比硅材料要好得多，所以彭练矛张志勇教授领导的团队，20年来一直在研究碳基芯片，经过多年的研究，北大的碳基芯片技术，目前在世界上处于领先地位。

2017年，北大的彭练矛团队研究出了，5纳米碳基管，但因为技术短板，碳纳米晶体管一直无法制造出来，虽然麻省理工后来将碳基管的纯度，提升到99.99%，但是距离实用仍有不小差距。这时可能就有人好奇了，99.99%都不能达到实用，那纯度要达到多少，才能实现技术上的应用呢，还是彭练矛团队给出了答案，那就是99.9999%，去年5月22号，北大团队在《科学》上公布了自己的成果，已经通过独创的工艺，制备出纯度高达99.9999%的碳基晶体管，让全球半导体行业都为之震惊，因为这意味着，芯片行业里一场技术颠覆性的革命，就要到来了。

而如今，仅隔一年的时间，北大碳基研究团队就又实现了突破，在高纯度的基础上实现了对同等栅长硅基CMOS技术的晶体管，和电路的超越，不得不说进展十分神速。

然而让罗叔不理解的是，很多人为啥一直看衰碳基芯片？的确，碳基芯片目前还仍是理论研究，也只能在学校的实验室进行生产，但也没必要唱衰它，要知道，科技的进步永远离不开理论和人才的支持。虽然有人说，学校的技术成果和生产之间，还差着十万八千里，但是产业发展的人才来源于哪里，不正是学校吗。

也许你又要说，既然碳基芯片这么厉害，为啥台积电目前还在研究硅芯片呢？这是因为自半导体产业发展以来，芯片的基础一直都是硅，整个世界都为此投入了巨大的精力，除此之外还有无数的人才和资金，除非是傻子，不然没人会在这个时候突然换赛道的。而我国呢，既然短时间内硅芯片赛道无法实现超越，那不如将目光放在未来，只要能在硅芯片时代结束的时候，实现超车就行了。再说台积电作为一家有野心的企业，对未来不可能没有自己的规划，我们目前能看到的，也只是人家愿意公布的研究，换句话说，目前市面上已知的信息，应该也只是冰山一角，你说呢？张眼看世界，罗叔聊风云，喜欢的朋友记得点个关注。