2020 年 5 月 22 日，北京大学电子学系彭练矛院士和张志勇教授团队在《科学》杂志发表《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》论文，介绍了该团队最新发展的多次提纯和维度限制自组装方法。
图 | 彭练矛院士和张志勇教授团队，在《科学》杂志发表的论文（来源：Science 官网）
据了解，该方法可以在四英寸基底上，制备出密度高达 120 / 微米（1微米=1000纳米）、半导体纯度超过 99.9999%、直径分布 1.45±0.23nm 的碳纳米管平行阵列，并在此基础上，首次实现性能超越同等栅长的硅基 CMOS 技术的晶体管和电路。这一成果，也将为碳基半导体进入规模工业化奠定基础。
图 | 北京大学电子系教授、中科院院士彭练矛
一直以来，英特尔和台积电等晶圆厂商，都使用硅基技术，来生产芯片。但由于摩尔定律的日渐式微，当下的硅基芯片技术，即将碰触极限。
而在地球上普遍存在的碳元素，和硅是同族元素，它俩的化学属性和物理属性，也非常相似。IBM 的理论计算表明，如果完全按照现有二维平面框架设计，相比硅基技术，碳管技术具备 15 代的技术优势。斯坦福大学的研究也表明，碳管技术有望将常规的二维硅基芯片技术，发展成三维芯片技术。这至少能将当前芯片的综合能力，提升 1000 倍以上。故此，碳管也是公认的、最理想的硅晶替代品。
近日，被美国敲打的华为，因为台积电为其协调芯片生产，再次登上热搜。有网友质疑 “华为这么厉害一个芯片都靠别人？” 如果了解芯片生产，你就会发现，国内的芯片技术能力，好比一只边缘不齐的木桶，其短板之处，决定着中国还无法实现芯片自主。
一块指甲大的芯片，需要设计、制造和封测三大环节。
设计环节中，中国设计芯片的工具，用的依旧是国外的 EDA 软件。即便厉害如华为海思，也才刚于 2018 年实现 “去美国化”；制造环节中，荷兰 ASML 的光刻机，也会因美国拦阻、而不敢卖给中国；至于封测环节，尽管中国表现较好，但是该环节利润偏低。
不够先进——仍旧是摆在“中国芯” 面前的困局；
据北京元芯碳基集成电路研究院5月26日最新的消息，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，经过多年研究与实践，解决了长期困扰碳基半导体材料制备的瓶颈，如材料的纯度、密度与面积问题。他们的这项研究成果已经被收录在今年5月22日的《科学》期刊“应用物理器件科技”栏目中。
目前，大到航空航天、金融保险、卫生医疗等领域，小到智能手机、家用电器等数码家电所使用芯片绝大部分采用硅基材料的集成电路技术，该项技术被国外厂家长期垄断，国内电子产品所需要的芯片则大多依赖进口。据统计，中国每年进口芯片的花费高达3000亿美元，甚至超过了进口石油的花费。
北京大学电子系教授张志勇 图丨中国电子报
“采用硅以外的材料做集成电路，包括锗、砷化钾、石墨烯和碳，一直是国外半导体前沿的技术。而碳基半导体则具有成本更低、功耗更小、效率更高的优势，更适合在不同领域的应用而成为更好的半导体材料选项。我们的碳基半导体研究是代表世界领先水平的。”彭练矛院士说。
以企业应用为例：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。碳基技术在不久的将来可以应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域。由于碳基材质的特殊性，它能让电路做到像创可贴一样柔软，这样的柔性器械，如果应用于医疗领域将使患者拥有更加舒适的检查体验；因碳基材质特点，在一些高辐射、高温度的极端环境里，采用碳基技术制造出的机器人将更好的代替人类执行危险系数更高的任务；谈到个人应用：碳基技术若应用到智能手机上，因其拥有更低的功耗，将使待机时间更加延长。“现在我们用手机看电影3个小时的可能就没电了。若将手机植入碳基技术的芯片，至少可以看上9个小时的电影都不会断电，且手机开多少个程序都不会出现卡顿。”北京元芯碳基集成电路研究院研发部负责人许海涛说。
高密度高纯半导体碳纳米管阵列的制备和表征 图丨北京元芯碳基集成电路研究院
据了解，碳基技术也是发达国家一直研发预替代硅基的新技术。由于我国碳基技术起步较早，目前的技术是基于二十年前彭练矛院士提出的无掺杂碳基CMOS技术发展而来，近年来取得了一系列突破性的进展，极大地提升了我国在世界半导体行业的话语权。
彭练矛院士曾说，如果把芯片比作一栋房子，晶体管就是建房的砖头，一栋栋的房子就构成了我们的信息社会。关于摩尔定律的终点（当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。），业界没有定论，但 2020 年至 2025 年，是人们普遍认为的摩尔定律“死亡期”。
而今，变幻莫测的2020年，5G！科技革命！百年未有大变局！