说起芯片，大家的第一反应就是“卡脖子”，一直以来，我们国家都在奋力“追赶”，努力缩小跟世界第一梯队的差距。但不知道你有没有想过，在科技领域，除了“追赶”之外，“换道超车”也是常有的事。比如说光刻机领域，林本坚另辟蹊径，换道沉浸式技术，让阿斯曼团灭日美光刻巨头。
用碳材料取代现有的硅材料，来制作下一代芯片，是芯片领域最有可能换道超车的赛道。一旦实现材料上的突破，美国芯片技术的封锁线也将变成二战法国的马奇诺防线，很多技术我们可像德军一样轻松绕过。令人兴奋的是，在这条赛道上，中国的科学家走在了世界第一梯队。
01 芯片材料的瓶颈
你一定会好奇，用硅来制作芯片已经半个多世纪了，就连芯片的诞生地都被叫做硅谷了，为什么要更换芯片的材料呢？那就得从摩尔定律说起，根据产业经验，每12-18个月,芯片的性能就要翻一倍。
在过去的半个多世纪，延续摩尔定律最主要的方法，就是把芯片的细胞，晶体管越做越小。你听到的10纳米、7纳米的芯片，里面这个多少纳米指的就是芯片里晶体管直径的大小。目前市场上最好的芯片是5纳米，有多大呢？你可以尝试扯下一根头发，把它解剖成1万份，其中的1份，它的直径就是5纳米。
那么问题来了，通过把晶体管越做越小的思路是会遇到物理极限的。所以说如何延续摩尔定律，是当今芯片产业的头号问题。怎么解决呢，现在是众说纷纭，其中很重要的一种说法是：要不我们干脆换个材料，用碳来替代硅做晶体管吧。
02 碳纳米晶体管
芯片材料用碳代替硅，为什么就可以突破美国的技术封锁呢，因为碳基管的运行速度可以比硅晶管快5～10倍，而功耗却可以降低到它的1/10，其性能远优于硅材料，因此，用碳来做晶体管，取得同等水平的性能，根本不需要做得像硅晶管那么小，这也就意味着我们不需要那么高端的光刻机和设计工具，也能制造出先进性能的芯片。
2018年，美国国防部就在一项研究中用90nm规格的碳芯片，实现7nm规格的硅芯片的同等性能。而90nm的技术我们已经非常成熟，制造流程中需要的技术和光刻机等工具都不需要看别人的眼色，我们可以轻而易举地制造出7nm芯片。
03 北大碳基芯片技术
既然碳材料这么优秀，那为什么不赶紧采用呢？主要是制造工艺跟不上。早在2017年，北大的张志勇和彭练矛团队就研发出了5nm的碳基管，但传统的制造工艺无法制造出来，这和华为能设计5nm芯片却没法制造是一样的道理，因为制造技术的短板，碳纳米管也一直只能停留在理论上。2019年麻省理工将碳纳米管阵列的纯度提高到99.99%，但离实用还有不少差距。
你肯定会好奇，如果让碳纳米管芯片的性能比肩传统芯片，要达到什么样的纯度才可以呢？科学家猜测是：要实现碳材料的技术应用，至少应该在99.9999%以上。
2020年5月22号，顶尖学术期刊《科学》公布了重大成果，北大的张志勇和彭练矛团队通过自己独创的工艺，制备出了纯度高达99.9999%的碳纳米管阵列，震惊世界半导体界，这比麻省理工的99.99%多了两个9，你可别小看这两个9,实际上相比同类的研究，是高出了1-2个量级。这也意味着芯片技术颠覆性的革命就要到来。
彭练矛院士表示，在处理大数据时，相比国外硅基芯片，我国碳基芯片速度更快，功耗更低，至少节约了三成的功耗。北京大学的这项成果，预示着用碳材料取代现有的硅材料，已经接近实用化了。这也意味着有这项颠覆性的技术，我们可实现换道超车，突破美国芯片技术封锁线。
04未来应用
这项技术的应用将给我国赢得追赶新技术的时间，同时也让我们实现技术超越，引领科技发展方向，不怕别人卡脖子了，甚至我们还能卡别人的脖子。
从技术层面上，由于碳纳米管芯片在功耗和性能上的显著优势，应用场景是非常广阔的，比如手机、卫星导航、气象监测、5G基站、人工智能、医疗器械等；甚至对于能耗要求比较苛刻的场景，也会有非常好的表现，比如人体内部、国防科技、国土边疆，还有外太空等。
如果芯片的能耗能够继续下降两个量级，就可以利用非常微弱的能量进行供电，比如人的体液、体温等，可想而知，使用的场景会比现在的消费电子产品更加广阔。