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[导读]碳基集成电路技术被认为是最有可能取代硅基集成电路的未来信息技术之一。“3微米级碳纳米管集成电路平台工艺开发与应用研究”的验收,标志着我国已经正式进入碳基芯片领先的时代。碳基芯片横空出世,中国芯片开启弯道超车。

碳基集成电路技术被认为是最有可能取代硅基集成电路的未来信息技术之一。“3微米级碳纳米管集成电路平台工艺开发与应用研究”的验收,标志着我国已经正式进入碳基芯片领先的时代。碳基芯片横空出世,中国芯片开启弯道超车。

北京大学电子系教授彭练矛带领团队成功使用新材料碳纳米管制造出芯片的核心元器件——晶体管,其工作速度3倍于英特尔最先进的14纳米商用硅材料晶体管,能耗只有其四分之一。该成果于今年初刊登于美国《科学》杂志。硅是传统的半导体 材料。碳、硅两种元素在地球上的含量都可谓丰富。

然而,碳元素在地球上的含量却是要多于硅元素。碳纳米管晶体管的制造步骤相当于硅材料晶体管的一半。碳基芯片所需的材料种类比硅芯片少。长期以来,整个半导体产业遵循摩尔定律,不断缩小晶体管尺寸以提升其性能。而业界认为,摩尔定律将在2020年左右达到终点,即硅材料晶体管的尺寸将无法再缩小,芯片的性能提升已经接近其物理极限。

目前,全球集成电路芯片的器件中有约90%都源于硅基CMOS技术,而国际半导体技术线路图(ITRS)委员会首次明确指出在2020年前后硅基CMOS技术将达到其性能极限。在此背景下,人们一直在寻找能够替代当前硅芯片的材料,碳纳米管就是主要的研究方向之一。美国斯坦福大学、IBM公司的研究人员都在致力于该领域的研究。一直以来,芯片都是中国科技领域的短板,中国每年芯片消耗量巨大,且其中超过90%依赖进口。尽管中国是世界最大的半导体消费国,目前国产芯片的自给率尚不足三成。据专业研究机构统计,2015年中国大陆芯片产业进口花费高达2307亿美元,是原油进口总额的1.7倍。

这么庞大的市场,再加上中国的高科技已经被美国掐住了喉咙,随着硅材料的物理性能走向极限,碳基芯片的科研突破给中国芯片产业提供了换道超车的可能。彭练矛在2000年之前就开始研究碳纳米管晶体管,至今已近20年,彭练矛坚信,碳纳米管晶体管技术的突破对于中国半导体产业意义深远。“碳纳米管晶体管比同尺寸的硅基晶体管速度快5到10倍,功耗只有其十分之一。” “我们的碳纳米管晶体管研发技术领先世界,中国巨大的市场和雄厚的资金更是为我们提供了广阔前景。”彭练矛说彭练矛表示,今年北大团队将基于碳基技术做出几千门级的通用CPU,这相当于英特尔上世纪70年代第一款商用CPU,明、后年将做出1兆内存,接近上千万个晶体管,达到英特尔上世纪90年代水平。

硅基集成电路产业今天的成就是60多年发展的结果,仅英特尔一家在2016年投入的研发基金就高达120余亿美元。硅基技术从材料到制备到软件及整个生态的发展已非常成熟,套用一句俗语,可以说碳基产业相比于硅基产业,已经可以预见前途是光明的.彭练矛的团队已经在着手研究碳材料的医用传感器,用来检测血压、心跳和血糖等生化指标。由于碳材料与人体兼容性高,且有良好的柔韧性,这种传感器可以完美贴合皮肤,让人感觉不到它的存在。碳基芯片不仅能表现出更优异的性能,更令人振奋的是,它还可能做硅基芯片所做不到的事情。

由于能耗低,未来手机电池续航能力会提高。

同时,安装了这种高效芯片后,未来手机的摄像头性能也将增强。该团队还在研究用碳材料打造汽车辅助驾驶系统中的红外监控摄像头。夜间安全行驶是辅助驾驶须攻克的难关之一。由于碳材料在近红外感光性极好,用在夜视设备上可以达到极高清晰度,且对不发热的物体以及浓雾中的物体也能成像,远胜于目前常用的红外热像仪。威胁下,中国必将举国上下齐心自主研发攻克核心技术,既然碳基芯片有望为中国芯片弯道超车,那么碳基芯片的核心元器件碳纳米晶体管材料就是中国科技的未来。

碳纳米管材料的龙头企业---西藏城投:据陕西国能锂业有限公司总经理彭池介绍,清华大学魏飞教授团队成功制备出单根长度达半米以上的碳纳米管,创造了新的世界纪录,这也是目前所有一维纳米材料长度的最高值。

目前清华大学魏飞团队与上市公司西藏城投联手已开始产业化发展。一旦实施产业化发展西藏城投应当受益更多。据科技部网站16日报道,北京市科委组织专家对清华大学魏飞团队承担的“高纯度单壁碳纳米管及其超级电容研制”课题进行了验收;目前清华大学已与西藏城投、陕西国能、日本明电社签定批量供应单壁碳纳米管的协议。近年来,全球纳米材料市场不断扩张,预计2020年将迅速增长到100亿美元。

全球范围内只有少数几家公司生产商业用碳纳米管产品,国际市场90%的高纯度碳纳米管的价格高达每克上百美元,一般纯度的碳纳米管价格也在60美元/克。清华大学魏飞、骞伟中教授团队自2000年起就致力于碳纳米管的批量制备与应用探索,在复合材料、能源 转化与存储领域取得了较大成果。

清华大学化工系教授魏飞告诉记者,碳纳米管是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一,有着极高的拉伸强度和断裂伸长率。其密度只有钢铁的六分之一到四分之一,单位质量上的拉伸强度,却是钢铁的276倍,远远超过目前人类发现和制造的其他任何材料。碳纳米管进入应用领域,能制造“拉不断”的绳子、“扯不破”的纤维布、“打不透”的防弹衣。石墨烯-碳纳米管的微观导电性很好,是电化学储能领域的“明星”,使用碳纳米管作为负极材料的锂电池,功率输出比传统的锂离子电池高出10倍,循环使用寿命超过数千次,其超级电容可以让手机、笔记本电脑、数码相机等待机时间延长。

作为新材料尖端技术的石墨烯-碳纳米管可使电动汽车的加速性能提高一倍,在国内电动汽车的推广、电动自行车行业锂电池替代铅酸电池的趋势下,经由碳纳米管改良性能的锂电池消费量也将飞跃式增长。中国80%的锂资源以卤水盐湖形态分布在西藏和青海,西藏城投拥有全国第一、世界第三的西藏阿里地区,茶卡盐湖和龙木错盐湖共计390万吨优质上游锂资源,掌握核心稀缺资源。

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