1nm成为硅基芯片的极限
正在失效的摩尔定律
在计算机行业长久以来一直受到摩尔定律的支配——半导体电路中的晶体管数量每两年就会翻一番。但是随着芯片制程的不断缩小，传统的摩尔定律正面临失效的危机，特别是在1nm制程上，传统的硅芯片已经趋近于极限。
为什么1nm是极限呢？所谓的半导体芯片就是能表示“0”和“1”这两种状态，因而称为半导体。但小于7nm时随着物理结构上硅晶体管间的距离越来越小，会逐渐出现量子隧穿效应，电子不再停留在预期的逻辑门内表示“0”和“1”，而是连续地从一个门流向下一个门。此时的硅晶体管不再可能处于关闭状态，半导体也就变成了全导体，自然也就无法完成芯片的基本功能了。
量子隧穿效应
因此在逐渐逼近硅晶片的1nm极限的时候，除了提高工艺之外，世界各地的顶尖实验室也开始考虑使用其他材料代替硅的可能性。单纯从材料性能角度考虑，硅并不是最好的半导体芯片材料，但是硅最大的好处就是便宜，原料成本十分低廉。但是由于已经逼近物理极限，因此在硅基芯片到达极限之前，找到替代材料成为所有科研机构的首要研究任务。
论文发表在世界顶级期刊Science上
碳基芯片会取代硅基芯片吗？
来自北京大学信息科学技术学院电子学系/北京大学碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇教授-彭练矛教授课题组通过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，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。
这项成果也以《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》为名发表在了全球顶级学术期刊《Science》上。这也是全球第一次实现了碳纳米管的批量生产，可以说是历史性的突破。
能够弯道超车跨过光刻机吗
碳基芯片存在哪些缺点
众所周知传统芯片制造中最为重要的设备之一就是光刻机，而我们目前在光刻机的研发上还处于落后的位置，至今28nm光刻机还没有量产。而碳纳米管的突破也为我国芯片发展提供了另一种方向，基于碳纳米管技术可以实现对传统芯片的弯道超车，直接跨过光刻机阶段。
虽然碳纳米管为芯片产业提供了弯道超车的机会，但同时也存在几个问题：
碳基芯片依然存在诸多困难
首先是碳纳米管作为一种新兴技术还不够成熟，在实现量产之前依然需要大量的时间和资源投入，目前碳纳米管极高的制造成本严重制约了推广和使用。
其次是我们的光刻机研发同样处于突破阶段，28nm光刻机即将问世，如果沿着光刻机道路继续发展也存在赶上目前光刻机领域的领导者ASML的可能性。
最后则是除了使用碳纳米管替代硅之外，还有诸多其他技术方案如：隧道对齐栅极的隧穿场效应管(Tunnel FET)、单电子晶体管（Single Electron Transistor）、量子元胞自动机（Quantum Cellular Automata ）、石墨烯（Graphene FET）等等，虽然我们在碳纳米管上取得了突破，但是目前几大技术之间依然难分伯仲，因此难以对碳纳米管进行孤注一掷的投入。
是否应该押宝碳纳米管？
写在最后
芯片制造的突破并不是一朝一夕可以完成的，碳纳米管技术的突破虽然给了我们一条捷径，但是这条捷径是否能够通向成功依然是存疑。或许一边继续研发28nm光刻机，另一面继续研究碳纳米管技术会是一个更加务实和可靠的选择。
但过于保守也就失去了在碳纳米管领域上先发的优势，大家觉得应该在碳纳米管领域孤注一掷发展吗？欢迎留言讨论。
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关键词： 北大迎来芯片技术突破 得到全球顶级期刊认可 有机会弯道超
