手机和个人电脑等电子产品发展了几十年日新月异，我们的现代生活早已离不开这些产品，而他们背后最重要的部件就是内部的芯片，芯片越先进，手机的性能越好，功耗越低。小小芯片背后的功臣就是这样一个看似普通的材料硅。
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。台积电和三星已经实现了5纳米工艺的芯片量产化。在这么小的尺度下集成这么多晶体管，受到材料、器件以及量子物理的限制。事实上摩尔定律早已经逼近天花板，人们也不断试图寻找各种新材料来替代硅基芯片，打破天花板。
其中碳纳米管就是一种理想的晶体管材料，它就像是把一块单层的石墨片卷成一根中空的长管，单壁碳纳米管的直径在1到2个纳米，所以叫它碳纳米管。碳纳米管具有良好的导电和机械性能，一直是纳米研究中的明星材料。
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，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。之前我们也讲过在硅基芯片的加工过程中，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。
而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。今天我们所讲的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。
两种加工方法最大的区别在于硅基芯片是从上而下，在硅晶圆上通过光刻和刻蚀等工艺，雕刻出复杂的器件结构。而碳基芯片是从下而上，利用大量的碳纳米管，像积木组装一样搭建成宏观的器件结构。
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，这就相当于你有了盖房子的砖头。此外你还需要有搭建房子的办法，那就是怎么把这些碳纳米管固定到基片上，还要排列的整齐划一，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，但近20年来一直未能突破，这是为什么呢？
一个重要的问题就是想要做成碳基晶体管，就必须对碳管材料进行掺杂处理来控制晶体管的极性和性能。而对于碳管来说，掺杂则会丧失原有的运行速度等优势。这显然是个矛盾的问题，谁解决了这个矛盾点，谁就占据了碳基芯片发展的先机。
中美作为科技强国站了出来，在碳基芯片展开了为期十几年的你追我赶。最近这场碳基芯片的科技追逐战主要在两个世界顶级名校之间展开——北京大学和麻省理工学院。
以下知识点涉及专业名词比较多，切勿中间离场。先来看看国内由彭练矛院士带领的北大团队，从2007年开始就开展了碳基集成电路的研究，他们从碳管制备、组装工艺和器件结构等方面入手，创造性地研发了一套高性能碳管CMOS器件的无掺杂制备方法。
秘诀就是放弃了对碳管的掺杂，转而通过调节接触金属的功函数来实现器件极性的调控。简单来说就是改变碳纳米管的接触电极材料，例如采用高空函数的薄金属作为源漏电极，即可构建基于碳管的P型场效应晶体管。而采用低功函数的铝金属作为源漏电极可以得到N型场效应晶体管。
北大人甘坐10年冷板凳，2017年彭练矛院士团队在碳管制备技术、碳管器件物理和性能、极限探索等方面取得了重大的突破。这项研究成果发表在2017年的科学杂志上。北大团队成功制备出5纳米级碳纳米管CMOS器件，工作速度2倍于英特尔最新商用硅晶体管，能耗却只有硅材料晶体管的四分之一。
这表明在10纳米以下，碳纳米管CMOS器件比硅基CMOS器件具有明显的性能优势，而且有望达到由量子力学和热力学定律所决定的性能极限，展现出碳纳米管电子学的巨大潜力。
北大团队基于碳纳米管器件的突破性研究证明了碳基电子学的可行性和优越性。不过这一次只是实验室中的少量碳纳米管的器件演示性能很优越，但离大规模集成电路还相距甚远。记住我们刚才讲的碳基芯片的要点，制备成芯片级别的碳基超大规模集成电路就需要在晶圆上制备大面积、高密度、高纯度的碳管之类作为基础材料。
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。他们拿着美国国防部高级研究计划局DARPA支持的610万美元。MIT团队首先面对的问题就是如何把单根碳纳米管沉积到预先设计好的资源结构上，而不是得到一大团碳管聚集的颗粒。经过实验摸索MIT团队发明了一种选择性清洗技术，用的是三步走的路子，聚合物预处理沉积冲洗。先采用特殊聚合物对晶圆进行预处理，碳纳米管的团聚颗粒更容易和晶圆上的聚合物结合。沉积碳纳米管以后使用溶剂冲走聚合物，就连带着把表面多余的团聚颗粒冲走。而粘附在晶圆上的单根碳纳米管则会留下，可以制备成晶体管器件。利用这种清洗技术使得芯片上的团聚颗粒的密度降低了250倍。
2019年8月世界顶级期刊自然杂志发表了Shulaker团队的论文，他们报道了一种含有14000个碳晶体管的微处理器。这个16位微处理器基于RISC-V开源架构，测试中执行了经典的hello world程序。成功生成信息hello world！MIT团队在碳基处理器的制备中采用了一种称为MIXED技术，来解决碳纳米管的掺杂问题。
这和北大团队的方法其实殊途同归，都是通过控制沉积的金属等电极材料来实现晶体管的功能。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。
而国内北大团队与MIT的实用主义研究思路不同，他们瞄准的是可以超越硅基芯片的创新路。2020年5月北大团队在碳基芯片的研究中再次取得重大进展，相关工作在科学杂志上发表。这篇论文解决了碳基芯片制备的一个重要难题，如何实现高纯度碳纳米管的整齐排列？北大为此开发了一种碳管提纯的新工艺，通过多次聚合物分散和提纯，制备出纯度优于99.9999%的碳纳米管溶液。利用高纯的碳管溶液，通过维度限制组装在4英寸硅片上，制备了排列整齐的高密度碳管阵列，可以在每微米范围内排列100至200个碳纳米管。北大团队以大面积顺排的碳管阵列为基础，制备出了顶栅场效应晶体管组成的小型集成电路。虽然集成规模比MIT的要小，但经过电学测试发现，相比特征长度相似的硅基晶体管，碳基晶体管显示出了更优越的性能。
我总结一下中美两国碳基芯片的研发道路，MIT的碳基集成电路与现有硅基芯片的制备工艺兼容。可以做得比较复杂，也容易实用化，但是性能很难超越硅基芯片。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。
可见我国的碳基芯片技术由此提升至全新高度，至此已充分说明碳基芯片发展的可行性，如何进行实用化发展。下一步就是需要更多芯片产业链的合作，特别是芯片设计EDA软件方面，北大和北京市合作成立了北京碳基集成电路研究院，从事碳基芯片的研究和开发。他们也积极和华为等国内优秀厂商对接。碳基半导体可能很快就会进入到工业化的阶段。基于碳纳米管的集成电路技术已经不存在原理上的障碍，也不再是遥不可及的梦想。掌握核心技术的碳基芯片，也为中国芯片领域的发展带来了新的希望。然而要建立一个完整的碳基芯片产业，还需要很多工程化的工作，需要一定的时间来完成。我们还无法预言商业化的国产碳基芯片何时能超越硅基芯片，但可以期望的是随着北大等国内研究工作的不断突破，碳基芯片离实用化会越来越近。中国在硅基芯片上的落后形势很可能在未来的碳基芯片上有翻天覆地的变化。
