中芯國際是國內最大也是最先進的晶圓制造廠，目前量產的最先進工藝是14nm，但與臺積電、三星的5nm相比，還落后兩三代工藝，總有人期望國內的公司能夠彎道超車，最近有傳聞稱中芯國際開始進軍石墨烯晶圓市場，甚至希望他們與中科院合作，研發生產國產的石墨烯芯片。

對于這一問題，中芯國際日前在互動平臺上表示，公司目前業務未涉及石墨烯晶圓領域，否認了與石墨烯晶圓相關的消息。

除了芯片，石墨烯在新能源汽車領域也曾引發巨大討論。

2021 年初舉辦的某電動車論壇上，中國科學院院士歐陽明高公開表示：

“ 如果有人告訴你，這車能跑 1000 公里，幾分鐘充滿電，還安全，成本又很低。以目前的技術來講，他一定是騙子。”

而就在該論壇舉辦前不久，汽車制造商廣汽埃安發布了一張全新電池科技的海報，其中就包含了上述字眼，更是提到了石墨烯材料：

作為近年來熱度比較高的新興科技概念， 石墨烯被認為是高科技的代名詞 ，除了石墨烯電池，在網上隨便一搜就可以看到更多奇奇怪怪的“石墨烯產品”：石墨烯內衣褲、石墨烯面膜等等。可以這么說，正如前些年“納米”概念盛行的時候，任何產品前面加上這兩個字，價格就會翻個幾倍，最近網絡上的“石墨烯產品”基本上也都是如此。

甚至有人嘲諷“石墨烯”概念就是碩士，博士用來水論文的。

但是石墨烯概念被商家濫用并不意味著石墨烯就完全沒有了研究前景。

石墨和石墨烯有關的材料可以廣泛應用在電池電極材料、半導體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、晶體管等方面。鑒于石墨烯材料優異的性能及其潛在的應用價值，在化學、材料、物理、生物、環境、能源等眾多學科領域已取得了一系列重要進展。

近年來，國內石墨烯材料在芯片上的研究也取得了一定的突破。

  # 為什么要研究碳基芯片？# 

1.摩爾定律逼近極限，市場需要新材料的探索

以硅為材料的硅基芯片已經發展了幾十年，人們不停地把越來越多的晶體管集成到小小的芯片上。摩爾在1965年就提出了芯片中的晶體管數目每18個月將會翻一番，而性能也隨之提升一倍，這就是摩爾定律。

現在高端手機芯片中的晶體管已經超過100億個，芯片也已經進入到10納米以下的技術節點。受到材料、器件以及量子物理的限制，摩爾定律早已經逼近天花板。

為了打破摩爾定律，華人科學家胡正明發明的FinFET技術，使得芯片工藝才得以繼續突破。

不過，胡正明教授認為，5nm左右就是物理極限，再往前進漏電狀況會加劇，芯片能耗會加劇。

臺積電的2nm工藝， 必須要繼續改良，或許要用上GAAFET技術。

FinFET和GAAFET技術，雖然可以改善柵極對電流的控制能力，從而提升芯片工藝制程，但這種方法是有終點的。

所以，科學家正在想別的辦法：尋找硅之外的新材料，比如碳材料，以此為基礎，打造碳基芯片。

2.碳基芯片可打破光刻機的限制

芯片制造國產化一直以來的一塊心病。對于硅基晶圓的制造來說，光刻機必不可少，但是全球光刻機市場已經主要被美國操控；另一方面，光刻機工藝復雜，由 5 萬個零件組成，先進光刻機設備國內仍未突破。

在這種情況下，中國如何能夠在先進光刻機上打破限制成為了國產芯片發展的重要一環。

而石墨烯的出現帶來了新的希望：在制造方面，中國可以獲得自主權；在性能方面，目前已知石墨烯材料比硅基器件在速度、功耗等方面都有優勢。

  #碳基芯片國內研究突破# 

碳基半導體芯片用到的是碳納米管或石墨烯，石墨烯，簡單來說就是碳原子薄膜。

把這個薄膜卷起來就是一個碳納米管，相當于傳統硅基芯片中的晶體管。

負責信號傳輸的電子，可以在這個管道中穿行。眾多碳納米管經過分布排列構成集成電路，這就是一個完整的碳基芯片，所以石墨烯芯片也叫碳基芯片。

理論計算表明，使用碳納米管制備的晶體管與相同特征的硅晶體管相比，理論上運行速度可以提高5至10倍，而功耗則可以降低到十分之一，完美滿足超低功耗芯片的需求。但理論畢竟是理論，想要利用碳管制備芯片還存在著巨大的挑戰。

專業上來說制備芯片的微納結構主要有兩種策略：

（1）雕刻：一種是從上而下的方法，硅基芯片的制造就是利用了從上而下的微納加工技術。其中，光刻機是最重要的部分，它就像雕刻用的刻刀一樣，把器件結構刻畫到硅晶圓上。

（2）搭建：另一類加工方法就是自下而上的方法，像蓋房子一樣，首先我們要有磚頭，再用磚頭一點一點的把房子搭建起來。碳基芯片就是把碳納米管當作磚頭來搭建芯片這個大房子。

想要用碳管來制備碳基芯片，首先要制備大量高純度而且長度均一的碳納米管，來用作碳基芯片的材料基礎。以碳納米管為基礎的碳基芯片，在理論上可行，性能上也很有優勢，但技術一直未能突破。

2020 年，北京大學電子學系彭練矛院士和團隊、發展出全新的提純和自組裝方法，并使用該方法制備出高密度、高純半導體陣列的碳納米管材料，在此基礎上還首次實現性能超越同等柵長硅基 CMOS 技術的晶體管和電路（CMOS，互補式金氧半導體）。

2020 年 10 月，在上海舉行的國際石墨烯創新大會上，中科院的團隊制造出的8英寸的石墨烯晶圓正式亮相。攻克了讓無數美國企業，望而卻步的石墨烯提純難題，這說明，我國的碳基芯片發展到了一個新高度。

與此同時，在大洋彼岸麻省理工學院的實驗室里，由MIT助理教授Shulaker帶領的團隊也在開展碳基芯片的研究。

不過不同的是，在設計和處理方面MIT團隊更在乎與現有的硅基芯片的工藝兼容。例如他們使用目前標準的芯片設計EDA軟件來實現電路設計，利用以硅基芯片兼容的材料和工藝制備，從而得到14000個碳基晶體管組成的集成電路。這種處理方式更實用，也可以讓碳基芯片設計更復雜的電路，更快實現產業變現。

但MIT當前的微處理器工作性能還是硬傷，更像是把硅基芯片中的一些硅基晶體管替換成碳管晶體管，設計電路的運行速度仍然停留在M赫茲，處在硅基芯片30年前的水平，無法超越硅基芯片，更是遠遠未達到碳納米管電路應有的水平。

而北大的工作解決了大面積、高密度碳納米管的排列問題，制造的小型碳基集成電路性能已經超越了硅基集成電路，展示了碳管陣列，可以滿足超大規模集成電路的材料需求。而且這種獨特的碳管制備工藝可以批量生產。

  #碳基芯片的應用難點# 

根據研究報道，石墨烯芯片看來是個不錯的方向，其實應用制造難度也很大。

首先，我們要提煉純凈的石墨烯，這是難點之一。目前來看，成本相當高，提純1克需要5000元。

其次，純凈的石墨烯沒法做成邏輯電路，需要改良形態，把石墨烯改造成碳納米管，以此來充當半導體，石墨烯充當導電溝道。現在的硅基芯片則不同，我們只需做提純工作，地球上的硅元素太豐富了，成本也不高。純凈的硅晶片就是制造芯片的絕佳材料。

第三呢，碳基芯片或許不需要光刻機，直接在石墨烯晶圓上切片、刻蝕和注入離子。雖然繞過了5nm光刻機，可碳基芯片的量產落地，肯定也需要用到類似的高精度設備。

總的來說，石墨烯芯片產業化還處于初期階段，短時期內想要靠石墨烯芯片彎道超車難度很大，道阻且長，不過要想趕超就得創新，早一點行動，多一分努力，就有希望。

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