中芯国际回应业务未涉及石墨烯晶圆，网友质疑万物皆可石墨烯？石墨烯芯片到底是什么？

中芯国际是国内最大也是最先进的晶圆制造厂，目前量产的最先进工艺是14nm，但与台积电、三星的5nm相比，还落后两三代工艺，总有人期望国内的公司能够弯道超车，最近有传闻称中芯国际开始进军石墨烯晶圆市场，甚至希望他们与中科院合作，研发生产国产的石墨烯芯片。

对于这一问题，中芯国际日前在互动平台上表示，公司目前业务未涉及石墨烯晶圆领域，否认了与石墨烯晶圆相关的消息。

除了芯片，石墨烯在新能源汽车领域也曾引发巨大讨论。

2021 年初举办的某电动车论坛上，中国科学院院士欧阳明高公开表示：

“ 如果有人告诉你，这车能跑 1000 公里，几分钟充满电，还安全，成本又很低。以目前的技术来讲，他一定是骗子。”

而就在该论坛举办前不久，汽车制造商广汽埃安发布了一张全新电池科技的海报，其中就包含了上述字眼，更是提到了石墨烯材料：

作为近年来热度比较高的新兴科技概念， 石墨烯被认为是高科技的代名词 ，除了石墨烯电池，在网上随便一搜就可以看到更多奇奇怪怪的“石墨烯产品”：石墨烯内衣裤、石墨烯面膜等等。可以这么说，正如前些年“纳米”概念盛行的时候，任何产品前面加上这两个字，价格就会翻个几倍，最近网络上的“石墨烯产品”基本上也都是如此。

甚至有人嘲讽“石墨烯”概念就是硕士，博士用来水论文的。

但是石墨烯概念被商家滥用并不意味着石墨烯就完全没有了研究前景。

石墨和石墨烯有关的材料可以广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等方面。鉴于石墨烯材料优异的性能及其潜在的应用价值，在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已取得了一系列重要进展。

近年来，国内石墨烯材料在芯片上的研究也取得了一定的突破。

  # 为什么要研究碳基芯片？# 

1.摩尔定律逼近极限，市场需要新材料的探索

以硅为材料的硅基芯片已经发展了几十年，人们不停地把越来越多的晶体管集成到小小的芯片上。摩尔在1965年就提出了芯片中的晶体管数目每18个月将会翻一番，而性能也随之提升一倍，这就是摩尔定律。

现在高端手机芯片中的晶体管已经超过100亿个，芯片也已经进入到10纳米以下的技术节点。受到材料、器件以及量子物理的限制，摩尔定律早已经逼近天花板。

为了打破摩尔定律，华人科学家胡正明发明的FinFET技术，使得芯片工艺才得以继续突破。

不过，胡正明教授认为，5nm左右就是物理极限，再往前进漏电状况会加剧，芯片能耗会加剧。

台积电的2nm工艺， 必须要继续改良，或许要用上GAAFET技术。

FinFET和GAAFET技术，虽然可以改善栅极对电流的控制能力，从而提升芯片工艺制程，但这种方法是有终点的。

所以，科学家正在想别的办法：寻找硅之外的新材料，比如碳材料，以此为基础，打造碳基芯片。

2.碳基芯片可打破光刻机的限制

芯片制造国产化一直以来的一块心病。对于硅基晶圆的制造来说，光刻机必不可少，但是全球光刻机市场已经主要被美国操控；另一方面，光刻机工艺复杂，由 5 万个零件组成，先进光刻机设备国内仍未突破。

在这种情况下，中国如何能够在先进光刻机上打破限制成为了国产芯片发展的重要一环。

而石墨烯的出现带来了新的希望：在制造方面，中国可以获得自主权；在性能方面，目前已知石墨烯材料比硅基器件在速度、功耗等方面都有优势。

  #碳基芯片国内研究突破# 

碳基半导体芯片用到的是碳纳米管或石墨烯，石墨烯，简单来说就是碳原子薄膜。

把这个薄膜卷起来就是一个碳纳米管，相当于传统硅基芯片中的晶体管。

负责信号传输的电子，可以在这个管道中穿行。众多碳纳米管经过分布排列构成集成电路，这就是一个完整的碳基芯片，所以石墨烯芯片也叫碳基芯片。

理论计算表明，使用碳纳米管制备的晶体管与相同特征的硅晶体管相比，理论上运行速度可以提高5至10倍，而功耗则可以降低到十分之一，完美满足超低功耗芯片的需求。但理论毕竟是理论，想要利用碳管制备芯片还存在着巨大的挑战。

专业上来说制备芯片的微纳结构主要有两种策略：

（1）雕刻：一种是从上而下的方法，硅基芯片的制造就是利用了从上而下的微纳加工技术。其中，光刻机是最重要的部分，它就像雕刻用的刻刀一样，把器件结构刻画到硅晶圆上。

（2）搭建：另一类加工方法就是自下而上的方法，像盖房子一样，首先我们要有砖头，再用砖头一点一点的把房子搭建起来。碳基芯片就是把碳纳米管当作砖头来搭建芯片这个大房子。

想要用碳管来制备碳基芯片，首先要制备大量高纯度而且长度均一的碳纳米管，来用作碳基芯片的材料基础。以碳纳米管为基础的碳基芯片，在理论上可行，性能上也很有优势，但技术一直未能突破。

2020 年，北京大学电子学系彭练矛院士和团队、发展出全新的提纯和自组装方法，并使用该方法制备出高密度、高纯半导体阵列的碳纳米管材料，在此基础上还首次实现性能超越同等栅长硅基 CMOS 技术的晶体管和电路（CMOS，互补式金氧半导体）。

2020 年 10 月，在上海举行的国际石墨烯创新大会上，中科院的团队制造出的8英寸的石墨烯晶圆正式亮相。攻克了让无数美国企业，望而却步的石墨烯提纯难题，这说明，我国的碳基芯片发展到了一个新高度。

与此同时，在大洋彼岸麻省理工学院的实验室里，由MIT助理教授Shulaker带领的团队也在开展碳基芯片的研究。

不过不同的是，在设计和处理方面MIT团队更在乎与现有的硅基芯片的工艺兼容。例如他们使用目前标准的芯片设计EDA软件来实现电路设计，利用以硅基芯片兼容的材料和工艺制备，从而得到14000个碳基晶体管组成的集成电路。这种处理方式更实用，也可以让碳基芯片设计更复杂的电路，更快实现产业变现。

但MIT当前的微处理器工作性能还是硬伤，更像是把硅基芯片中的一些硅基晶体管替换成碳管晶体管，设计电路的运行速度仍然停留在M赫兹，处在硅基芯片30年前的水平，无法超越硅基芯片，更是远远未达到碳纳米管电路应有的水平。

而北大的工作解决了大面积、高密度碳纳米管的排列问题，制造的小型碳基集成电路性能已经超越了硅基集成电路，展示了碳管阵列，可以满足超大规模集成电路的材料需求。而且这种独特的碳管制备工艺可以批量生产。

  #碳基芯片的应用难点# 

根据研究报道，石墨烯芯片看来是个不错的方向，其实应用制造难度也很大。

首先，我们要提炼纯净的石墨烯，这是难点之一。目前来看，成本相当高，提纯1克需要5000元。

其次，纯净的石墨烯没法做成逻辑电路，需要改良形态，把石墨烯改造成碳纳米管，以此来充当半导体，石墨烯充当导电沟道。现在的硅基芯片则不同，我们只需做提纯工作，地球上的硅元素太丰富了，成本也不高。纯净的硅晶片就是制造芯片的绝佳材料。

第三呢，碳基芯片或许不需要光刻机，直接在石墨烯晶圆上切片、刻蚀和注入离子。虽然绕过了5nm光刻机，可碳基芯片的量产落地，肯定也需要用到类似的高精度设备。

总的来说，石墨烯芯片产业化还处于初期阶段，短时期内想要靠石墨烯芯片弯道超车难度很大，道阻且长，不过要想赶超就得创新，早一点行动，多一分努力，就有希望。

【免责声明】文章为作者独立观点，不代表旺材芯片立场。如因作品内容、版权等存在问题，请于本文刊发30日内联系旺材芯片进行删除或洽谈版权使用事宜。