日前，中国科学院院士、北大信息科学技术学院彭练矛教授在参加会议时表示：

目前中国芯片技术整体产业链面临被“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、设计到生产装备的全套技术中的任何一个环节。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，研制出中国完全自主可控的芯片技术，在主流芯片领域产生重要影响。

 

今年 5 月，北京元芯碳基集成电路研究院宣布，由该院中国科学院院士、北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的团队，解决了长期困扰碳基半导体材料制备的纯度、密度与面积等瓶颈问题。彭练矛院士宣称，与国外硅基技术制造出来的芯片相比，我国碳基技术制造出来的芯片在处理大数据时不仅速度更快，而且至少节约 30% 的功耗。

半导体技术是一个国家发展高科技产业的核心

去过的几十年，在基于硅基 CMOS 技术的传统芯片领域，中国一直处于相对落后的境地。而美日韩等国家，牢牢掌握了材料、设计、装备的方方面面，在摩尔定理的推动下高歌猛进，不断刷新工艺极限。不过，近 10 年以来，传统硅基芯片受工艺限制，发展速度日益缓慢，从 14nm 到 7nm，再到 5nm、3nm，越来越难，逼近硅芯片的极限。

对于 3nm 以下的芯片工艺，各大半导体厂商都没有明确的答案。美国半导体工业协会（成员包括英特尔、AMD 和 Global Foundries）的一份报告称：到 2021 年，硅晶体管尺寸的缩小，将不再是一件经济可行的事情。取而代之的是，芯片将以另一种方式发生变化。科学家试图寻找能够替代硅的芯片材料，其中碳纳米管晶体管（简称“碳管”）就是颇具研究价值的方向。

 

核心技术领跑国际

30 余年以来，彭练矛始终坚守在科研攻关的一线：他在电子显微学领域发展了可以精确处理一般材料体系反射和透射电子衍射、弹性和非弹性电子散射的理论框架；在碳基电子学领域，发展了整套碳基CMOS（互补金属氧化物半导体）集成电路无掺杂制备新技术，首次制备出性能接近理论极限，栅长仅 5nm 的碳管晶体管，实现了综合性能超越硅基器件十余倍的“中国奇迹”。

2000 年，彭练矛带领研究团队从零开始，探究用碳纳米管材料制备集成电路的方法。功夫不负有心人。在经过多年的技术追赶之后，卧薪尝胆的彭练矛终于迎来了他在纳米电子学研究中的第一项标志性成果 — 碳管制备技术的初步突破，同时，正式将碳管材料和碳基芯片作为团队主要研究方向。

又经过十年的技术攻坚，彭练矛团队放弃传统掺杂工艺，终于突破了 N 型碳管制备这一跨世纪难题，创造性地研发了一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法，并在 2017 年首次制备出栅长 5nm 的晶体管。这一世界上迄今最小的高性能晶体管，综合性能比目前最好的硅基晶体管领先十倍，接近了理论极限。2018 年，团队再次突破了传统的理论极限，发展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶体管；同年，用高性能的晶体管制备出集成电路，最高速度达到了 5 × 103MHz，不仅跻身与斯坦福大学、麻省理工学院等研究机构同步的国际领跑行列，而且在最关键的核心技术上是世界领先的。

 

打破传统半导体企业优势

碳基芯片的成功，或将终结美国开创的硅基芯片产业。新材料将通过全新物理机制，实现全新的逻辑。那么到时候，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，主导国家将会获得新一代技术控制权。

比如，目前芯片设计都需要 EDA 软件，可以说，目前全球半导体产业都是围绕 EDA 工具设计的芯片展开工作。EDA 三巨头 Synopsys、Cadence 和 Mentor Graphics 垄断了 95% 的市场，国产化份额仅 5%，跟国外先进水平存在着巨大的差距。一旦进入碳基芯片时代，芯片设计方法也需应势升级，根据阿里达摩院的预测，基于芯粒（chiplet）的模块化设计方法可取代传统方法，可以跳过流片，快速定制出一个符合应用需求的芯片，让芯片设计变得像搭积木一样快速，进一步加快了芯片的交付。

 

同理，一旦新方案终结了硅基芯片，那么晶圆的生产工艺就完全一样了，新的芯片制造流程将应运而生，相比硅基芯片，工艺更加简单。或许我们可以研发出新的设备，绕过 EUV 光刻机，以全新的流程完成对芯片的配置。即便还需要光刻机，同性能的硅基芯片，对光刻机的精度要求远没有如今这么高，甚至对光刻机的工艺要求也不一样，ASML 的市场垄断将被打破。