眼下,全球正面臨著百年未有之大變局,全球變暖、能源危機讓人類的未來充滿了不確定性。作為能源消費大戶和碳排放的主要來源之一,芯片制造的環(huán)保問題引起多方人士的重視。

在傳統(tǒng)芯片技術(shù)支撐下,芯片性能已接近極限,目前每向前走一步,其綜合性能只是增加百分之幾十,但所需要付出的資源卻是巨大的。

若沒有顛覆性的高能效芯片技術(shù),人類的發(fā)展將受到制約,我們的數(shù)字經(jīng)濟和未來的智能社會的發(fā)展就會成為一句空話。

芯片產(chǎn)業(yè)是全球合作的典范,需要各國共同發(fā)現(xiàn)問題,尋找解決途徑。近年來,我國在開拓芯片技術(shù)新思路方面不斷取得突破。

近日,在2022年太原能源低碳發(fā)展論壇開幕式暨高峰論壇上,中國科學院院士、北京碳基集成電路研究院院長彭練矛發(fā)表了主題為《從大自然中來到大自然中去:可循環(huán)的高性能碳基芯片技術(shù)》的演講。

“生產(chǎn)芯片的工藝更簡單,大大降低了能源消耗和二氧化碳的排放。由于碳基芯片可降解,實現(xiàn)了從大自然中來到大自然中去?！迸砭毭Z驚四座。

20年來,他帶領(lǐng)團隊研發(fā)出了整套碳基芯片技術(shù),首次制備出性能接近理論極限,柵長僅5納米的碳納米管晶體管,實現(xiàn)了“從0到1”的突破,為中國芯片的發(fā)展開辟了一條嶄新的“綠色”道路。

能耗挑戰(zhàn):“小芯片”遇到“大危機”

全球數(shù)字經(jīng)濟駛?cè)搿翱燔嚨馈?5G時代來臨,這對支撐海量信息處理的芯片提出了更高的要求。深度學習、自動駕駛、智能終端等各種新興行業(yè)的崛起需要芯片速度更快、續(xù)航時間更長,但如今傳統(tǒng)的芯片技術(shù)幾乎處于停滯狀態(tài)。

在傳統(tǒng)工藝中,芯片制造一直是“硅”的天下。

當前,硅基芯片已經(jīng)進入5納米時代,甚至在向2納米、1納米探索,這意味著,硅基芯片性能逼近物理極限。

隨著晶體管的不斷微縮,“摩爾定律”逐漸逼近極限,現(xiàn)有硅基芯片已經(jīng)進入發(fā)展的瓶頸期。首先,在工藝方面,出現(xiàn)了量子隧穿效應、原子摻雜漲落、功耗墻等現(xiàn)象。其次在架構(gòu)方面,出現(xiàn)了馮諾依曼架構(gòu)的內(nèi)存墻現(xiàn)象。而在晶體管原理方面,也出現(xiàn)了亞閾值擺幅的玻爾茲曼極限與工作電壓的縮減極限。

傳統(tǒng)硅基芯片技術(shù)面臨的另一個重大挑戰(zhàn)是能耗。從芯片制造到芯片使用都伴隨著大量的能源消耗。

芯片制造需要3000多道工序,包括1000度以上的高溫工藝和高能量離子注入的工藝等,這都需要消耗巨大的電能。

據(jù)統(tǒng)計,現(xiàn)在中國的計算中心用電相當于兩個三峽大壩,總電量大概占3%~4%。未來指數(shù)式增加的算力需求帶來芯片能耗的激增,但是人類使用能源每年的增長量大概是2%~3%,根據(jù)國際上權(quán)威的委員會預測,芯片年用電在2040年以前就會超過人類平均每年所能提供的能源總量。彭練矛預測,很快芯片用電就會成為人類用電的最大用戶,如果按照現(xiàn)在的芯片技術(shù),很快就滿足不了我們的需求。

碳基技術(shù),打破芯片“天花板”

步入21世紀以來,尋找能夠替代硅的芯片材料,成為熱門話題。啟用新材料、發(fā)展新技術(shù)、采用新架構(gòu)是從根本上解決芯片性能問題的出路。

2009年,國際半導體技術(shù)路線圖委員會支持新興器件/材料(ERD/ERM)工作組選擇碳基納米電子學作為需要重點關(guān)注和投資的技術(shù),用以加速半導體電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

據(jù)Stanford預測,三維碳芯片相較于二維硅基芯片具有近1000倍的能效優(yōu)勢。不僅如此,DARPA項目也顯示,采用三維近存計算架構(gòu)的90nm碳基芯片的能效將遠超7nm硅基技術(shù)的芯片。

總而言之,用碳納米管制備的碳基芯片的綜合性能可以比硅基集成電路提高成百上千倍,這已成學界的共識。除此之外,碳基芯片還能在很大程度上緩解未來對能源的需求,間接緩解能源危機。

早在2000年,彭院士就帶領(lǐng)研究團隊,從零開始,探究用碳納米管材料制備集成電路的方法。

2017年,彭院士帶領(lǐng)團隊首次制備出柵長5納米的碳納米管晶體管,提速降耗成果顯著。2017年8月,在《人民日報》上發(fā)表的《中國‘芯’走出自強路》中指出,其“工作速度是因特爾最先進的14納米商用硅材料晶體管速度的3倍,而能耗只是其四分之一?！?/p>

研制出高性能碳納米管晶體管無疑是我國科學家奮力追趕世界先進水平的征途中取得的一個重大勝利,是中國信息科技發(fā)展的一座新里程碑。

2020年,該團隊首次制備出達到大規(guī)模碳基集成電路所需的高純、高密碳納米管陣列材料,并采用這種材料首先實現(xiàn)了性能超越硅基集成電路的碳納米管集成電路,電路頻率超過8千兆赫茲,躋身國際領(lǐng)跑行列。

carbon to carbon,雙碳新注釋

碳基芯片的“綠色”還體現(xiàn)它卓越的減碳效果。

碳基芯片相對于傳統(tǒng)芯片而言,在材料上擁有絕大的優(yōu)勢,采用碳納米管做成的晶體管導電性能更強,這就讓碳基芯片擁有功耗更小、性能更強、成本更低、韌性更好等特點,可以用來做折疊設(shè)備,比如現(xiàn)在流行的折疊手機等。

如果使用二氧化碳制備碳納米管,我們將實現(xiàn)取之于碳,用之于碳,變廢為寶。

山西清潔碳經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的世界首創(chuàng)工業(yè)二氧化碳煙氣制碳納米管、石墨烯等高附加值材料,一噸碳納米管可減少3.5噸二氧化碳排放。

另外,尤其值得一提的是,碳基芯片可在大自然中降解,真正做到從大自然中來到大自然中去。即,carbon to carbon。

這正迎和了中國明確提出的2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標,同時也是碳基技術(shù)對雙碳的新注釋。

如今,傳統(tǒng)的硅基芯片技術(shù)遭遇“天花板”,碳基技術(shù)有望提供新的動力,驅(qū)動半導體產(chǎn)業(yè)新一輪的蓬勃發(fā)展。可循環(huán)的高能效碳基芯片技術(shù),對全球來說都是一條新的道路。

而碳基芯片的發(fā)展,我國的研發(fā)起步和進展都令人欣喜。彭練矛稱,目前我們基本掌握了碳納米管集成電路制備技術(shù),能夠在實驗室把碳納米管集成電路加工出來,性能是目前為止世界上最好的,電路頻率比美國研發(fā)的高了幾十倍。

這是中國芯片突破西方封鎖、開啟自主創(chuàng)新時代的新機會。有助于我們在現(xiàn)有優(yōu)勢下?lián)P長避短,從材料開始,全面突破現(xiàn)有的主流半導體技術(shù),研制出中國人完全自主可控的芯片技術(shù),通過發(fā)展碳基芯片,實現(xiàn)中國芯的“換道超車”。

即使如此,我國距離實現(xiàn)在芯片技術(shù)上超越歐美還有很長的路要走,彭練矛也清醒地指出,碳基技術(shù)要想全面超越主流半導體技術(shù),還需要穩(wěn)定和更高強度的支持。

發(fā)展碳基芯片技術(shù),任重而道遠。