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  在中國國際石墨烯創(chuàng)新大會上，國內(nèi)多家公司及機構成立了石墨烯銅創(chuàng)新聯(lián)合體，成員包括正泰集團、上海電纜所與上海市石墨烯產(chǎn)業(yè)技術功能型平臺，其將面向全球“發(fā)榜”，協(xié)同開展關鍵技術攻關，聚力解決一批“卡脖子”問題。該創(chuàng)新聯(lián)合體表示，希望能夠研發(fā)出基于石墨烯的芯片來取代傳統(tǒng)硅基芯片，由于石墨烯的電子遷移率遠高于硅基材料，性能至少是硅基芯片的10倍以上，同時功耗還能大幅降低。

  硅基芯片即將到達性能極限

  由于高純硅的獨特性，導致其集成度越高，晶體管的價格越便宜，這樣也就使得摩爾定律產(chǎn)生了經(jīng)濟學效益。在1990年左右，一個晶體管要10美元左右，但隨著晶體管越來越小，小到一根頭發(fā)絲上可以放上千晶體管時，每個晶體管的價格就下降至此前的千分之一。

  就在本月，先后發(fā)布的聯(lián)發(fā)科天璣9200和高通驍龍8 Gen2兩款旗艦處理器，采用的都是臺積電4nm工藝，但卻并沒有使用3nm工藝。從本質(zhì)上來說，臺積電4nm工藝其實是基于2020年的5nm工藝節(jié)點的改名而已，這一幕其實在臺積電的6nm工藝時就發(fā)生過，6nm本質(zhì)上也是7nm工藝節(jié)點的改進。

  這種“換湯不換藥”式的改名，意味著晶體管微縮技術發(fā)展的放緩。

  如今，還在繼續(xù)堅持攻克先進制程的晶圓廠僅剩下臺積電、三星、英特爾等幾位高端玩家，先進制程所必需的高昂芯片研發(fā)、制造費用也給公司帶來了巨大的成本壓力與投資風險，這也進一步迫使企業(yè)尋求性價比更高的技術路線來滿足產(chǎn)業(yè)界日益增長的芯片性能的需求。而且隨著摩爾定律不斷逼近極限，現(xiàn)在的硅基半導體技術很快會碰到極限，1nm及以下工藝就很難制造了，在多個新的技術方向中，石墨烯芯片是其中一個選項，國內(nèi)也有多家公司組建聯(lián)盟攻關這一技術。

  石墨烯芯片能否彎道超車?

  據(jù)介紹，石墨烯是一類由單層以碳原子六方晶格排列構成的特殊材料，強度大約是鋼的200倍，厚度是頭發(fā)的20萬分之一，導電性和導熱性均高于銅，每平方米的重量不到1毫克。同時，它還具有高電導率和導熱系數(shù)，因此在散熱、電池及芯片等各個領域都有極大的發(fā)展?jié)摿?，能使?shù)據(jù)傳輸更快，也符合現(xiàn)在高性能、低功耗芯片的發(fā)展趨勢。

  早在2010年時，IBM就曾展示過石墨烯晶圓，晶體管頻率可達100GHz以上，理論上還可以制造出500GHz到1000GHz的石墨烯芯片。相比之下，現(xiàn)階段基于硅材料的處理器，超頻記錄也沒有超過10GHz。

  在全球IEEE國際芯片導線技術會議上，正式將石墨烯定位為下一代新型半導體材料，同時也將碳基芯片定義為下一個芯片時代的主流。不過，石墨烯芯片的制造難度也非常高，數(shù)十年來業(yè)界一直在研究大規(guī)模量產(chǎn)的方法，但都沒有達到實用程度。目前，多個國家都在研究石墨烯芯片，一旦成功量產(chǎn)，就有望打破現(xiàn)今的硅基芯片壟斷局面。在中國，各企業(yè)和科研院所近年來也一直在石墨烯領域集結發(fā)力，我國自主研發(fā)完成的8英寸石墨烯晶圓，不管是性能或尺寸，都處于國際頂尖水平，華為首次公開的石墨烯場效應晶體管專利，也標志著中國在芯片研究領域進入了一個全新的開始。截至2021年底，中國石墨烯專利技術申請量約占全球的80%，相關產(chǎn)品市場規(guī)模已達到160億元。

前不久，工信部批復組建國家石墨烯創(chuàng)新中心等三家國家制造業(yè)創(chuàng)新中心。創(chuàng)新中心將面向石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，圍繞石墨烯材料規(guī)?；苽?、石墨烯材料產(chǎn)業(yè)化應用和石墨烯行業(yè)質(zhì)量提升等研發(fā)方向，開展關鍵共性技術攻關，支撐打造貫穿石墨烯領域創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈、人才鏈和價值鏈的創(chuàng)新體系，助推國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)進一步創(chuàng)新發(fā)展。

  可繞過光刻機?石墨烯芯片沒那么“神”

  由于碳元素比較穩(wěn)定，具有易于成型和機械加工的特性，業(yè)界一直有傳言稱碳基芯片的制造完全可以繞開復雜的EUV光刻設備，石墨烯晶圓也將實現(xiàn)碳基芯片的量產(chǎn)。

  2021年，在中芯國際的互動平臺上，就有投資者提出：“貴司是否愿意與中科院合作研發(fā)石墨烯碳基芯片項目”的問題作出回應。當時，中芯國際就表示公司的業(yè)務未涉及石墨烯晶圓領域，這也打消了早先網(wǎng)上流傳的有關于“中芯國際可以依靠石墨烯芯片，在半導體領域中彎道超車”的謠言。對此，中科院團隊也表示其并未說過類似“我國是世界上唯一能夠生產(chǎn)8英寸石墨烯晶圓”的言論，望大家不要被誤導。

事實上，在美國對半導體行業(yè)實行技術限制的大背景下，中芯國際很難做到既兼顧解決國內(nèi)芯片自給問題，又做好石墨烯晶圓的新項目研究。即便可以，考慮到市場、成本、技術等問題，硅基產(chǎn)品在很長時間內(nèi)，依舊會處于業(yè)界主導地位，目前的碳基芯片基本上還處于概念階段，并沒有實際可以量產(chǎn)的成品出現(xiàn)。

與硅基芯片的發(fā)展軌跡類似，想要生產(chǎn)、研發(fā)碳基芯片，就必須有一套與之相匹配的完整產(chǎn)業(yè)鏈與大量的研發(fā)人員，這便產(chǎn)生了額外的成本。當前半導體領域有關于芯片資源的競爭十分激烈，放棄大好市場資源，投入大量人力、財力資源選擇一個尚未成型的市場項目，顯然是不明智的。

  此外，在與硅基芯片的特性對比后，大家可能會產(chǎn)生“碳芯片的制程難度低于硅芯片”的誤解，但實際上，如果單從容量來看，碳基芯片的制程難度的確低于現(xiàn)有的硅基芯片，這是因為碳基芯片可容納晶體管數(shù)量要高于硅芯片，碳晶圓的晶體管架空性也優(yōu)于硅晶圓。但是，由于碳原子有4個自由電子，碳晶體管本身具有較高的導熱性與電子活潑性，導致碳晶體管的內(nèi)部結構十分不穩(wěn)定，提高了芯片廠商對芯片自主可控電阻、電流的難度。這對于小規(guī)模生產(chǎn)來說沒有影響，但若想大規(guī)模量產(chǎn)，需要芯片代工廠商擁有像實驗室一樣的環(huán)境、技術條件，顯然是不太現(xiàn)實的，這也是碳基芯片實際量產(chǎn)難度高于硅基芯片的原因。

  另外，針對網(wǎng)上流傳的的碳基芯片可避開EUV光刻機的謠言，可信度也非常低。原因之一就在于，碳基芯片只是在同等性能的前提下，制程難度低于硅芯片，如同為10nm制程，碳基芯片的性能大概是硅芯片性能的5到10倍，但不管是哪種材料，要想生產(chǎn)7nm及以下的芯片，如今有且只有一條路，那就是通過EUV光刻機。

  不可否認的是，與硅基芯片相比，碳基芯片的優(yōu)勢的確很大。但在當前的探索階段，全球各國都尚未在石墨烯芯片領域有真正的突破。如果隨著技術的進一步發(fā)展，碳基芯片在未來能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，國內(nèi)積累的相關技術優(yōu)勢才能真正實現(xiàn)彎道超車，使我國的半導體產(chǎn)業(yè)更加完善，并開啟一個全新的芯片時代。