《学霸的科幻世界》正文卷第五百零二章碳基芯片

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   庞学林在生物医学研究中心待了将近一下午的时间，根据石毅、杨和平、安德鲁·怀特他们给出的动态APT各项参数，提出了许多有用的修改意见。
    他在生化危机世界基本上天天都要用上动态APT技术，对这个设备的性能和各方面参数都了如指掌，因此给出各种有益的意见也就不足为奇了。
    石毅、杨和平、安德鲁·怀特也不以为意，庞学林名声在外，再加上和庞学林经常接触，对于这家伙身上出现什么奇迹，他们都不会觉得奇怪了。
    当然，对于动态APT技术，他们三人同样报以厚望。
    冷冻电镜技术能获得诺贝尔化学奖，那么比冷冻电镜技术更具现实意义的动态APT技术，无疑也能获得。
    而且庞学林已经获得过一次诺贝尔化学奖，他们三人，正好可以瓜分一期诺奖。
    庞学林在生物医学研究中心待了一下午时间，了解了一下APT设备的研发情况，第二天，又去了徐兴国领导的碳基芯片研发中心。
    目前全球半导体材料的发展已经接近物理极限，集成电路代工领域最强的台积电，已经完成3纳米工艺的商业化量产，2纳米工艺也接近研发完成。
    而中国最强的半导体制造商中芯国际，依旧卡在7纳米工艺制程上，与台积电依旧有着两代的差距。
    之前中美贸易战的时候，美国曾经对华为发起过全面技术封锁，号称任何只要使用了美国技术的企业，都不许和华为合作。
    直到锂空气电池横空出世，中国凭借锂空气电池的巨大优势，才算解除了西方国家的技术封锁，华为面临的危机也迎刃而解。
    但即便如此，在涉及集成电路高端制造领域，中国与西方国家依旧有着不小的差距。
    别的不说，单单阿斯麦公司的极紫外光刻机（EUV），汇聚了所有西方国家最顶尖的制造技术，堪称人类有史以来最精密的工业品。
    与航空发动机一起，成为工业制造皇冠上的一颗明珠。
    在硅基集成电路时代，西方国家有着巨大的先发优势，中国很难在这一领域与西方国家展开竞争。
    这一点，就连庞学林也没什么办法。
    让他在理论上有所突破可以，让他快速提升国内工业制造水平，庞学林同样一筹莫展。
    硅基芯片制程上的差距，让中国很难在短时间内追上西方发达国家。
    但硅基领域没办法弯道超车，并不意味着没有另辟蹊径的办法。
    碳纳米管被科学家们给予了厚望。
    这与其本身的特性息息相关。
    首先，碳纳米管芯片身量虽小，但节能增效能力却更强。
    碳纳米管是由单层碳原子卷成管状的碳材料，导电性能极好，而且，碳元素在地球上的储量十分丰富。
    碳纳米管的直径可以根据工艺的不同制成几纳米到几十纳米长；管壁厚度更小，根据壁层碳原子数量不同，碳纳米管可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管；在同样集成度的情况下，碳纳米管芯片比硅元器件体积更小。
    同时，碳纳米管的韧性极高，可以承受弯曲、拉伸等应力，电信号传输过程的延迟很短，所以，从材料物理属性上看，碳纳米管具有替代硅芯片的潜力。
    其次，碳材料具有多种同素异形体，除了碳纳米管以外，还有人们熟知的金刚石、石墨、富勒烯、活性炭等等。
    其导电性质强烈地依赖于结构，可以由绝缘体转变为半导体、由半导体变为导体。
    而且，它的导电方式和原理与传统的晶体管不一样，有更强的传导能力。
    另外，现有的晶体管在导电过程中无可避免地会产生漏电流，漏电会导致发热，而碳纳米管可以避免这一问题，故而能效相对较高。
    从理论上讲，碳纳米管芯片的能量利用率有望超过现有芯片的能效比（60%至70%）。
    发热问题的解决也给芯片的散热降低了压力。
    硅晶体管的功耗很大，在小小的芯片空间内，发热极其严重，为了不使芯片过热无法工作，还需要分配部分的功耗用于芯片的散热，这使得硅晶体管功耗增大。
    而碳纳米管芯片本身产热就少，加上碳纳米管本身的热导率很高，有效地减少了用于散热的能耗，所以碳纳米管的能效会远远高于以硅为材料的晶体管。
    世界范围内，最早实现碳纳米管器件制备的是IBM，其在2014年成功制备出碳纳米管20nm栅长器件，不过，该器件性能比预期差很多。
    近年来，也有国外的各类实验室号称制备出1nm栅长的碳纳米管器件，但更多的只是噱头，实际使用性能很差。
    而中国在碳纳米管器件的研究，在庞学林完成超高纯度电子级碳纳米管量产制备以后，徐兴国带领的团队开始在高性能碳纳米管（CMOS互补金属氧化物半导体）晶体管的无掺杂制备、晶体管的极性控制方面进行深入研究，并且有了有很多技术积累。
    其中该团队制备的栅长为10纳米的碳纳米管顶栅CMOS场效应晶体管（对应于5纳米技术节点）已经成功攻克器件结构和制备工艺等相关难题。
    不仅如此，其制备出的碳纳米管器件的性能也远远超过国际上已报道的碳纳米管器件。
    对于常规结构制备的碳管晶体管，其栅长在5纳米以下时就会较为明显地受到短沟道效应和隧穿漏电流影响，以往融合高介电栅介质薄膜的做法很难有效地解决漏电问题，使得器件也不能有效地关断。
    徐兴国团队改用石墨烯替代金属作为碳管晶体管的源漏接触，从而有效地抑制了短沟道效应和源漏直接隧穿。
    而且，由于5纳米栅长的碳管器件开关转换仅有1个左右的电子参与，使得门延时（42飞秒）接近二进制电子开关器件的物理极限（40飞秒，由海森堡测不准原理和香农—冯诺依曼—郎道尔定律决定）。
    这是中国首次掌握了世界上最先进的晶体管技术，而且整体技术成熟极高，随着碳纳米管成本下降及工艺良品率的提高，该技术有望成为最先进的芯片制造技术。
    而这种新技术的掌握，相当于现有最先进的硅基技术六代以上的优势（领先20年），使得国际芯片巨头的优势将不复存在，国内半导体制造产业将会在不远的未来实现弯道超车。
    事实上庞学林在徐兴国的实验室里，就见到了来自华为以及中芯国际的工程师。
    按照徐兴国的说法，第一代碳基芯片将会在未来一年内实现量产，首先应用于华为的5G基站产品。
    至于消费端的碳基芯片，估计还要再过两年时间，才能在手机、PC等领域大规模应用。