新一代材料革命正在酝酿，中国能否终结硅时代，实现芯片全面领先

2018年，外媒经济学人发表了一个名为《Chip War》的重磅报告。这篇长达一百多页的报告标志着中美之间的芯片对抗从幕后走向台前。

在这篇报告里直接提出，中美之间最重要的贸易冲突是21世纪的技术之争。它涵盖了从人工智能到网络设备的方方面面。最基本的战场是半导体。芯片行业是美国的工业领导地位与中国的超级大国雄心直接冲突的领域。

在这篇报告中也指出，中国目前面对美国发起的芯片攻势，处于一个明显的劣势之中：

因为计算机芯片是数字经济和国家安全的基础。汽车已成为车轮上的电脑。银行是转移资金的计算机。军队用芯片和钢铁战斗。美国及其盟国的公司占据了行业最先进的领域。相比之下，中国高端芯片的供应仍依赖外部世界。

那么要如何才能打赢呢？那就只有终结美国开创的硅时代，实现芯片的全面领先。

如果果以工业革命来划分，前两次是煤炭与石油的应用，第三次人类社会的变革引领便是计算机，相对应的便是“硅时代”。

自硅晶体的半导体特性被发现和运用之后，几乎改变了人类的思维方式，一是光伏的发明将太阳光辐射能直接转换为电能，二是制成各种集成电路。前者拓展了清洁能源的边界，而后者的发明更是为现代信息奠定基础。

硅是极为常见的一种元素，然而它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。

1958年，杰克·基尔比发明了锗的集成电路，相比于晶体管，集成电路具有微小型化、高集成化、低功耗、智能化和高可靠性等优点，这使得微处理器的出现成为了可能，不过因为锗材料做的器件耐热性差，工作不稳定。锗是稀有材料，大批量生产困难。

罗伯特·诺伊斯则在杰克·基尔比的基础上发明了基于硅的集成电路，作为仙童半导体公司，英特尔创始人的诺伊斯，在硅谷掀起了一场新的电子革命，而硅也走上了历史舞台，诺伊斯也因此被称为“硅谷之父”。

1965年4月19日，《电子学》杂志第114页发表了摩尔撰写的文章《让集成电路填满的组件》，正式宣告了摩尔定律的诞生，摩尔定律的定义归纳起来，主要有以下三种版本：

1、集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一倍。2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，或价格下降一半。3、用一个美元所能买到的计算机性能，每隔18个月翻两倍。

摩尔发现的摩尔定律并不是不基于任何特定的科学或工程理论，只是对真实情况的影射总结。但是硅芯片行业注意到了这个定律，也没有简单把它当作一个描述的、预言性质的观察，而是作为一个说明性的，重要的规则，整个行业努力的目标。

然而，随着摩尔定律逼近极限，硅的缺陷也慢慢开始暴露，我们可以把芯片比作一个房子，随着制程的提升，房间越来越小，但里面要装的东西却越来越多，不管采用什么样的“收纳”方式，总有一天，这个房间会“过载”。

漏电和散热不佳，就是硅芯片“过载”产生的问题。而且硅在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，在高频下工作性能较差，不适用于高压应用场景，光学性能也得不到突破。

所以目前新的芯片革命正在酝酿，一旦新的材料时代到来，芯片将会以新的面貌出现，芯片设计厂商、芯片设备厂商、晶圆加工厂商原有的垄断格局将彻底打破，所有的技术积累都将全部清零，主导国际将会获得新一代技术控制权。

由于科学家并不难确定什么样的材料能够替代硅，所以提出了许多的方案，比如石墨烯、碳纳米管、碳化硅、氮化镓等。

中国则提出了利用碳纳米管来取代硅的方案，科学界普遍认为碳纳米管自身的材料性能远优于硅材料，碳管晶体管的理论极限运行速度可比硅晶体管快5～10倍，而功耗却降低到其1/10，因此是极佳的晶体管制备材料，这也是为什么中国会研究碳纳米管的原因。

在5月份的时候，张志勇教授-彭练矛教授课题组发展全新的提纯和自组装方法，制备高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料，并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路，展现出碳管电子学的优势。

而中科院院士彭练矛教授认为，碳基电子将是国产芯片技术突围利器。这次彭练矛教授的突破就在于碳管电子学领域、以及碳基半导体工业化的共同难题被攻克，实现了超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜制造工艺，制备出首个超越相似尺寸的硅基CMOS的器件和电路。这也标志着中国碳基芯片已经具备批量化制备的可能性。

高密度、高纯度半导体碳管阵列的制备和表征

彭练矛认为：

目前中国芯片技术整体产业链面临着被“卡脖子”的状况，关键因素在于中国在芯片技术领域没有核心技术和自主研发能力，没有主导芯片从材料、设计到生产制备的全套技术中任何一个环节。相比传统的硅基技术，新一代的碳基电子及其信息器件具有更优异的性能，在包括数字电路、射频/模拟电路、传感器件、光电器件等所有半导体应用领域都具备革命性的应用前景。“没有芯片技术，就没有中国的现代化。实现由中国主导芯片技术的‘直道’超车，就是碳基电子的定位和使命。碳基电子的终极使命就是在现有优势下扬长避短，从材料开始，全面突破现有的主流半导体技术，研制出中国人完全自主可控的芯片技术，在主流芯片领域产生重要影响。

如果中国可以率先实现碳基芯片量产商用，那么中国在这场战争之中将占据主导优势，而这还需要中国半导体企业的配合，只有他们将碳基芯片运用于实际之中，碳基芯片才可以得到长足发展，从而形成一个完善的生态链。