第五百零二章 碳基芯片
更新時間:2020-06-03 作者:幸運的球球
學霸的科幻世界 第五百零二章 碳基芯片
龐學林在生物醫學研究中心待了將近一下午的時間，根據石毅、楊和平、安德魯·懷特他們給出的動態APT各項參數，提出了許多有用的修改意見。 他在生化危機世界基本上天天都要用上動態APT技術，對這個設備的性能和各方面參數都了如指掌，因此給出各種有益的意見也就不足為奇了。 石毅、楊和平、安德魯·懷特也不以為意，龐學林名聲在外，再加上和龐學林經常接觸，對于這家伙身上出現什么奇跡，他們都不會覺得奇怪了。 當然，對于動態APT技術，他們三人同樣報以厚望。 冷凍電鏡技術能獲得諾貝爾化學獎，那么比冷凍電鏡技術更具現實意義的動態APT技術，無疑也能獲得。 而且龐學林已經獲得過一次諾貝爾化學獎，他們三人，正好可以瓜分一期諾獎。 龐學林在生物醫學研究中心待了一下午時間，了解了一下APT設備的研發情況，第二天，又去了徐興國領導的碳基芯片研發中心。 目前全球半導體材料的發展已經接近物理極限，集成電路代工領域最強的臺積電，已經完成3納米工藝的商業化量產，2納米工藝也接近研發完成。 而中國最強的半導體制造商中芯國際，依舊卡在7納米工藝制程上，與臺積電依舊有著兩代的差距。 之前中美貿易戰的時候，美國曾經對華為發起過全面技術封鎖，號稱任何只要使用了美國技術的企業，都不許和華為合作。 直到鋰空氣電池橫空出世，中國憑借鋰空氣電池的巨大優勢，才算解除了西方國家的技術封鎖，華為面臨的危機也迎刃而解。 但即便如此，在涉及集成電路高端制造領域，中國與西方國家依舊有著不小的差距。 別的不說，單單阿斯麥公司的極紫外光刻機（EUV），匯聚了所有西方國家最頂尖的制造技術，堪稱人類有史以來最精密的工業品。 與航空發動機一起，成為工業制造皇冠上的一顆明珠。 在硅基集成電路時代，西方國家有著巨大的先發優勢，中國很難在這一領域與西方國家展開競爭。 這一點，就連龐學林也沒什么辦法。 讓他在理論上有所突破可以，讓他快速提升國內工業制造水平，龐學林同樣一籌莫展。 硅基芯片制程上的差距，讓中國很難在短時間內追上西方發達國家。 但硅基領域沒辦法彎道超車，并不意味著沒有另辟蹊徑的辦法。 碳納米管被科學家們給予了厚望。 這與其本身的特性息息相關。 首先，碳納米管芯片身量雖小，但節能增效能力卻更強。 碳納米管是由單層碳原子卷成管狀的碳材料，導電性能極好，而且，碳元素在地球上的儲量十分豐富。 碳納米管的直徑可以根據工藝的不同制成幾納米到幾十納米長；管壁厚度更小，根據壁層碳原子數量不同，碳納米管可以分為單壁碳納米管和多壁碳納米管；在同樣集成度的情況下，碳納米管芯片比硅元器件體積更小。 同時，碳納米管的韌性極高，可以承受彎曲、拉伸等應力，電信號傳輸過程的延遲很短，所以，從材料物理屬性上看，碳納米管具有替代硅芯片的潛力。 其次，碳材料具有多種同素異形體，除了碳納米管以外，還有人們熟知的金剛石、石墨、富勒烯、活性炭等等。 其導電性質強烈地依賴于結構，可以由絕緣體轉變為半導體、由半導體變為導體。 而且，它的導電方式和原理與傳統的晶體管不一樣，有更強的傳導能力。 另外，現有的晶體管在導電過程中無可避免地會產生漏電流，漏電會導致發熱，而碳納米管可以避免這一問題，故而能效相對較高。 從理論上講，碳納米管芯片的能量利用率有望超過現有芯片的能效比（60至70）。 發熱問題的解決也給芯片的散熱降低了壓力。 硅晶體管的功耗很大，在小小的芯片空間內，發熱極其嚴重，為了不使芯片過熱無法工作，還需要分配部分的功耗用于芯片的散熱，這使得硅晶體管功耗增大。 而碳納米管芯片本身產熱就少，加上碳納米管本身的熱導率很高，有效地減少了用于散熱的能耗，所以碳納米管的能效會遠遠高于以硅為材料的晶體管。 世界范圍內，最早實現碳納米管器件制備的是IBM，其在2014年成功制備出碳納米管20nm柵長器件，不過，該器件性能比預期差很多。 近年來，也有國外的各類實驗室號稱制備出1nm柵長的碳納米管器件，但更多的只是噱頭，實際使用性能很差。 而中國在碳納米管器件的研究，在龐學林完成超高純度電子級碳納米管量產制備以后，徐興國帶領的團隊開始在高性能碳納米管（CMOS互補金屬氧化物半導體）晶體管的無摻雜制備、晶體管的極性控制方面進行深入研究，并且有了有很多技術積累。 其中該團隊制備的柵長為10納米的碳納米管頂柵CMOS場效應晶體管（對應于5納米技術節點）已經成功攻克器件結構和制備工藝等相關難題。 不僅如此，其制備出的碳納米管器件的性能也遠遠超過國際上已報道的碳納米管器件。 對于常規結構制備的碳管晶體管，其柵長在5納米以下時就會較為明顯地受到短溝道效應和隧穿漏電流影響，以往融合高介電柵介質薄膜的做法很難有效地解決漏電問題，使得器件也不能有效地關斷。 徐興國團隊改用石墨烯替代金屬作為碳管晶體管的源漏接觸，從而有效地抑制了短溝道效應和源漏直接隧穿。 而且，由于5納米柵長的碳管器件開關轉換僅有1個左右的電子參與，使得門延時（42飛秒）接近二進制電子開關器件的物理極限（40飛秒，由海森堡測不準原理和香農—馮諾依曼—郎道爾定律決定）。 這是中國首次掌握了世界上最先進的晶體管技術，而且整體技術成熟極高，隨著碳納米管成本下降及工藝良品率的提高，該技術有望成為最先進的芯片制造技術。 而這種新技術的掌握，相當于現有最先進的硅基技術六代以上的優勢（領先20年），使得國際芯片巨頭的優勢將不復存在，國內半導體制造產業將會在不遠的未來實現彎道超車。 事實上龐學林在徐興國的實驗室里，就見到了來自華為以及中芯國際的工程師。 按照徐興國的說法，第一代碳基芯片將會在未來一年內實現量產，首先應用于華為的5G基站產品。 至于消費端的碳基芯片，估計還要再過兩年時間，才能在手機、PC等領域大規模應用。 學霸的科幻世界 第五百零二章 碳基芯片
龐學林在生物醫學研究中心待了將近一下午的時間，根據石毅、楊和平、安德魯·懷特他們給出的動態APT各項參數，提出了許多有用的修改意見。 他在生化危機世界基本上天天都要用上動態APT技術，對這個設備的性能和各方面參數都了如指掌，因此給出各種有益的意見也就不足為奇了。 石毅、楊和平、安德魯·懷特也不以為意，龐學林名聲在外，再加上和龐學林經常接觸，對于這家伙身上出現什么奇跡，他們都不會覺得奇怪了。 當然，對于動態APT技術，他們三人同樣報以厚望。 冷凍電鏡技術能獲得諾貝爾化學獎，那么比冷凍電鏡技術更具現實意義的動態APT技術，無疑也能獲得。 而且龐學林已經獲得過一次諾貝爾化學獎，他們三人，正好可以瓜分一期諾獎。 龐學林在生物醫學研究中心待了一下午時間，了解了一下APT設備的研發情況，第二天，又去了徐興國領導的碳基芯片研發中心。 目前全球半導體材料的發展已經接近物理極限，集成電路代工領域最強的臺積電，已經完成3納米工藝的商業化量產，2納米工藝也接近研發完成。 而中國最強的半導體制造商中芯國際，依舊卡在7納米工藝制程上，與臺積電依舊有著兩代的差距。 之前中美貿易戰的時候，美國曾經對華為發起過全面技術封鎖，號稱任何只要使用了美國技術的企業，都不許和華為合作。 直到鋰空氣電池橫空出世，中國憑借鋰空氣電池的巨大優勢，才算解除了西方國家的技術封鎖，華為面臨的危機也迎刃而解。 但即便如此，在涉及集成電路高端制造領域，中國與西方國家依舊有著不小的差距。 別的不說，單單阿斯麥公司的極紫外光刻機（EUV），匯聚了所有西方國家最頂尖的制造技術，堪稱人類有史以來最精密的工業品。 與航空發動機一起，成為工業制造皇冠上的一顆明珠。 在硅基集成電路時代，西方國家有著巨大的先發優勢，中國很難在這一領域與西方國家展開競爭。 這一點，就連龐學林也沒什么辦法。 讓他在理論上有所突破可以，讓他快速提升國內工業制造水平，龐學林同樣一籌莫展。 硅基芯片制程上的差距，讓中國很難在短時間內追上西方發達國家。 但硅基領域沒辦法彎道超車，并不意味著沒有另辟蹊徑的辦法。 碳納米管被科學家們給予了厚望。 這與其本身的特性息息相關。 首先，碳納米管芯片身量雖小，但節能增效能力卻更強。 碳納米管是由單層碳原子卷成管狀的碳材料，導電性能極好，而且，碳元素在地球上的儲量十分豐富。 碳納米管的直徑可以根據工藝的不同制成幾納米到幾十納米長；管壁厚度更小，根據壁層碳原子數量不同，碳納米管可以分為單壁碳納米管和多壁碳納米管；在同樣集成度的情況下，碳納米管芯片比硅元器件體積更小。 同時，碳納米管的韌性極高，可以承受彎曲、拉伸等應力，電信號傳輸過程的延遲很短，所以，從材料物理屬性上看，碳納米管具有替代硅芯片的潛力。 其次，碳材料具有多種同素異形體，除了碳納米管以外，還有人們熟知的金剛石、石墨、富勒烯、活性炭等等。 其導電性質強烈地依賴于結構，可以由絕緣體轉變為半導體、由半導體變為導體。 而且，它的導電方式和原理與傳統的晶體管不一樣，有更強的傳導能力。 另外，現有的晶體管在導電過程中無可避免地會產生漏電流，漏電會導致發熱，而碳納米管可以避免這一問題，故而能效相對較高。 從理論上講，碳納米管芯片的能量利用率有望超過現有芯片的能效比（60至70）。 發熱問題的解決也給芯片的散熱降低了壓力。 硅晶體管的功耗很大，在小小的芯片空間內，發熱極其嚴重，為了不使芯片過熱無法工作，還需要分配部分的功耗用于芯片的散熱，這使得硅晶體管功耗增大。 而碳納米管芯片本身產熱就少，加上碳納米管本身的熱導率很高，有效地減少了用于散熱的能耗，所以碳納米管的能效會遠遠高于以硅為材料的晶體管。 世界范圍內，最早實現碳納米管器件制備的是IBM，其在2014年成功制備出碳納米管20nm柵長器件，不過，該器件性能比預期差很多。 近年來，也有國外的各類實驗室號稱制備出1nm柵長的碳納米管器件，但更多的只是噱頭，實際使用性能很差。 而中國在碳納米管器件的研究，在龐學林完成超高純度電子級碳納米管量產制備以后，徐興國帶領的團隊開始在高性能碳納米管（CMOS互補金屬氧化物半導體）晶體管的無摻雜制備、晶體管的極性控制方面進行深入研究，并且有了有很多技術積累。 其中該團隊制備的柵長為10納米的碳納米管頂柵CMOS場效應晶體管（對應于5納米技術節點）已經成功攻克器件結構和制備工藝等相關難題。 不僅如此，其制備出的碳納米管器件的性能也遠遠超過國際上已報道的碳納米管器件。 對于常規結構制備的碳管晶體管，其柵長在5納米以下時就會較為明顯地受到短溝道效應和隧穿漏電流影響，以往融合高介電柵介質薄膜的做法很難有效地解決漏電問題，使得器件也不能有效地關斷。 徐興國團隊改用石墨烯替代金屬作為碳管晶體管的源漏接觸，從而有效地抑制了短溝道效應和源漏直接隧穿。 而且，由于5納米柵長的碳管器件開關轉換僅有1個左右的電子參與，使得門延時（42飛秒）接近二進制電子開關器件的物理極限（40飛秒，由海森堡測不準原理和香農—馮諾依曼—郎道爾定律決定）。 這是中國首次掌握了世界上最先進的晶體管技術，而且整體技術成熟極高，隨著碳納米管成本下降及工藝良品率的提高，該技術有望成為最先進的芯片制造技術。 而這種新技術的掌握，相當于現有最先進的硅基技術六代以上的優勢（領先20年），使得國際芯片巨頭的優勢將不復存在，國內半導體制造產業將會在不遠的未來實現彎道超車。 事實上龐學林在徐興國的實驗室里，就見到了來自華為以及中芯國際的工程師。 按照徐興國的說法，第一代碳基芯片將會在未來一年內實現量產，首先應用于華為的5G基站產品。 至于消費端的碳基芯片，估計還要再過兩年時間，才能在手機、PC等領域大規模應用。 學霸的科幻世界 第五百零二章 碳基芯片
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