揭秘“碳基芯片”的原理,将采用碳纳米管工艺,性能或提升10倍

从人类发现硅基半导体晶体管的存在到现在已经超过60年的历史,跟随着摩尔定律的发展,硅基芯片的性能越来越强,里面的集成度也越来越高,目前一颗高端的芯片中就包含有上百亿个晶体,这种发展的现象似乎在诠释着数量等于“质量”。晶体管的数量越多性能就会越强,当然,这也不是绝对的,比如苹果的A13处理器只有85亿个晶体管,而麒麟990集成了103亿个晶体管,但是性能上,苹果A系列处理器还是稳坐手机处理器第一的宝座。这是因为可以通过软件系统和芯片架构的优化让其性能得到充分利用,但是摩尔定律在同类型的芯片上是适用的。

目前在芯片纳米工艺制作领域中,台积电一马当先,已经实现了5nm芯片的量产,而且已经着手2nm芯片的研发,我们知道,芯片中的电路是通过光刻和蚀刻之后得出来的,这就意味着当硅基芯片达到2nm之后,我们现有的光刻机已经无法达到这种生产要求了,而且付出的成本也会更高。2nm或已经达到硅基芯片的极限。那么有没有可能有一种新的方式让我们打破“以数量取胜”的局面呢。答案就是我们要讲的碳基材料。

碳纳米管如何做成电子元件

按照传统硅基芯片的工作方式,计算机是以二进制0和1的方式运行的,通俗的说就是“高和低”、“通和断”。那么新型材料的碳基芯片必然也要遵循这个道理,碳纳米管需要做成碳管晶体管,这个环节是非常重要的。为什么要遵循晶体管二进制的运算方式,这是因为目前的人类所用应用程序和编程方式就已经习惯了这种方式,所有的编程代码最后都会被转换成机器二进制的运算。而且这也是最原始和最有效的机器运作方式。

首先我们要解决的是碳纳米管的垂直摆放问题,其实也简单,我们在纳米管的一端修饰亲水离子,另一端修饰疏水离子,这样的碳管可以垂直分布在溶液中,当溶液滴在材料表面时。碳管也是垂直在材料表面的。通过真空干燥、惰性的高温环境下进行固定,这样碳纳米管就能垂直在材料两端的表面上了。但要实现碳基芯片的批量生产,最关键是制备出碳管场效应薄膜,它要求碳管是超高纯度、垂直顺序排放、大面积排列且高密度均匀排列的碳纳米管阵列薄膜,最后我们就完成了P型和N型碳晶体管的制作。也就是说想要完成碳纳米晶体管的搭建,就像是让它漂浮在水离子上完成,这样既能够固定它的位置,还能进行多层碳纳米管的搭建。

而我国北京大学张志勇、彭练矛课题组,发展出一种全新的提纯和自组装单层碳管的方法,单层碳管直径为1.45±0.23纳米,纯度达99.99995%;在4英寸基底上获得了间隔为5纳米的垂直有序排列的碳管阵列。这种无掺杂的碳管CMOS晶体管,性能远远领先于传统的硅基材料。但是想要投入使用的话还需要3-5年的时间。但这也为世界的碳基集成电路发展奠定了坚实的基础,找到突破硅基芯片性能的极限的方法。当然这种碳纳米管的制作工艺并不简单,这也是未来碳基芯片需要攻克最主要的难点。

碳基芯片的优缺点

碳基芯片相对于传统芯片而言,在材料上拥有绝大的优势,采用碳纳米管做成的晶体管导电性能更强,这就让碳基芯片拥有功耗更小、性能更强、成本更低、硬度更高、韧性更好等特点,可以用来做折叠设备,比如现在流行的折叠手机等。试想一下,在碳基芯片流行的时代,通过类似的穿戴型的手表,小型设备也能拥有超强的运算能力,配合上虚拟现实,甚至是全息投影,这是多么的让人向往的生活呢。

西瓜视频创作人“东城观星”介绍碳管晶体管的理论极限运行速度可比硅晶体管快5~10倍,而功耗却降低到其1/10,因此是极佳的晶体管制备材料,这也是为什么中国会研究碳纳米管的原因。但是碳基集成电路对碳纳米管的精度要求非常高,一般是在纯度达99.9999%以上,在目前的技术而言,想要批量提存这种类型的纳米碳管显得比较困难,但是随着技术的突破,碳纳米管纯度的突破将会带动我国整个碳基电路的发展。

总结

芯片是机器的大脑,也是整个城市的大脑、未来碳基芯片将被广泛应用到超级计算机、人工智能、大数据分析等领域,碳基芯片将和这些高端的科技一同发展,这也是我们基建事业的一个重要组成部分。而目前,我国的碳基芯片技术已经领先了世界。

碳基芯片性能比硅基性能提升10以上,为何却没有得到批量的制作呢?未来能否代替硅基芯片,上西瓜视频,搜索“东城观星”,带你了解碳基芯片和硅基芯片的区别在哪里,碳基芯片是否还需要用到光刻机,以及我国在芯片中布局。涨知识,上西瓜视频。

本文源自头条号:小虎科技

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