芯片难题的解决方案之碳纳米管芯片.docx

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1、芯片难题的解决方案之碳纳米管芯片L芯片难题的两种解决方案当前的大背景是：以硅为基础原料（简称“硅基”）、以冯诺依曼结构为基础设计的芯片，在2012年之前一直符合摩尔定律。也就是，性能每18 - 24个月提升1倍，同时，单位性能的成本下降一半。但2012年之后，提升的脚步就慢了下来。如今，制造工艺已经达到了 3 nm,快要摸到硅基材料的物理上限了。到了这个尺寸以后，因为量子隧穿效应的存在，就很难精准控制最基础的半导体元件开关的“开”与“关” 了。面对这个问题，有终极解决方案和短期解决方案两种研发方向。终极解决方案的最大特征就是抛弃冯诺依曼结构，比如使用模拟芯片、量子计算机、存算一体结构等等。但这

2、些终极解决方案想要发展到今天计算机的普及度，需要太久的时间了，也许30年，也许60年。除了需要芯片工艺的提升之外，还需要全产业链的调整，包括算法的重新发明、编程语言的重新发明、设计软件调试工具的重新发明、操作系统的重新发明等等。很可能是在我们有生之年都看不到的事情。Drain e I ect rodeGate e I ect rodeSource e I ect rodeGate (Metal)fIow of eIect r i c i tyN typediffusion zoneN typediffusion zonep-type Si substrate这只是打个比方而已，实际上是这样的：

3、当加上电压的时候，和闸门相连的区域就带了电。这片区域正好和左右两侧的源极与漏极，形成了一片可以供电子流过的通道。于是，电子就哗哗哗地流了过去。在宏观上，就好像是一个闸刀的开关合上了一样。今天，全球半导体行业遇到的困境就是，闸门的尺寸越来越小，即便加了电压，也影响不到闸门下面电流通道的开闭了。尽管有各种工艺，能把闸门以不同的方式直接插入到电流通道里面去，让闸门包裹住整个通道，加强管控能力。但那也只是临时的改善措施，离极限依然是越来越近的。如果依然保留冯诺依曼结构，面且还继续使用当前的光刻机和工艺，能不能找到一些新材料，把极限再大幅拉升一把呢？能。现在有一个发展方向，就是碳纳米管芯片。碳纳米管芯片

4、的基础单元，和之前硅基芯片的基础结构非常像。我把它们的结构图放在下方了，一共两张图，上面的图是传统硅基的结构，下面的图是碳纳米管的。Gat e i nsuI at i on film(Ox i de film)我们会发现，碳纳米管的基础结构和传统的硅基半导体的基础结构太像了。最下面都是纯硅衬底，上面有一层二氧化硅的膜。在这层膜上，中间是栅极，两边分别是源极和漏极。唯独有一点不同的是，在从前，源极到漏极之间的电子流动通道，并不是像水渠一样的实体沟道。电子可以流过的是一个随电压变化而不断变化的立体区域。有点像墙里的水管轻微开裂后，墙体一部分被水印湿了一样，就是这样一片界限模糊的区域。但是，碳纳米管

5、芯片就不再依赖这个由硅基掺杂其它物质形成的区域了。在碳纳米管芯片里，电子真的要靠一根根实体的管子来完成传输。这些管子就是碳纳米管。它一样可以通过改变栅极的电压，来控制电流的流动和停止。3 .碳纳米管材料的优势首先，极限尺寸和当前的硅基材料大致相同。比如说，硅基材料芯片的物理极限是1平方毫米内容纳5亿个开关。换成碳纳米管也可以做到，而且操作起来，困难没有硅基那么大。碳纳米管是什么呢？如果我们把碳原子在平面上只铺一层，那这薄薄的一层碳原子就叫作“石墨烯”，把这一层碳卷成卷就是碳纳米管。虽然制造过程并不是把石墨烯卷起来，但碳纳米管也确实保留了不少石墨烯的神奇特性。比如，碳纳米管的导电性非常好，几乎是

6、零阻力。远比硅基材料里电子流过时受到的阻力要小，于是发热就特别小。当元件缩小到特别小以后，这一点非常重要。你想，火箭发动机喷气口的功率密度，那得多高啊，想要解决这个散热，太难了。而要解决一个电暖器的发热问题，那就容易多了。碳纳米管对比传统硅基的开关，在发热量上，就有这么大的差距。于是，当发热问题不存在后，它的工作频率就可以提得很高很高，比如100GHz,而当前传统的硅基芯片，10GHz就是极限的极限了。另外，碳纳米管的导热能力大约是铝的10倍，所以哪怕有热量产生，也能很快导出。而且，碳纳米管还非常结实。这一点和石墨烯很像如果把单层石墨烯做成宏观尺寸的大小，比如Im X 1m的这么一张薄膜，四个

7、角兜起来，中间放一只猫都不会断裂。要知道，这只是一层原子的厚度啊，以微观尺寸承受宏观尺寸产生的力，这是骇人听闻的强度。所以，用碳纳米管做的芯片，即便在高温下长期使用，都很难失效。4 .如何用碳纳米管制造芯片？刚才说的都是好的地方。但现在的问题是，怎么把碳纳米管按照芯片设计的要求制造出来。如果要制造几百个、几千个，那可以在实验室里完成。而要取代传统的芯片，需要一枚芯片里集成至少一百亿个。北大在这个领域有一些很好的成果。比如说，他们最先找到了一种可以整齐划一地制造碳纳米管的方法。整齐划一是很重要的。因为虽然都叫碳纳米管，但卷起来后直径不同，或者卷起来的角度不同，都会让碳纳米管的导电特性不一样。有的

8、是半导体，有的像金属一样导电。而用在芯片里的，必须是半导体才行。今天，碳纳米管在生产环节，并不能控制最后卷成管子以后，导电性质是金属的还是半导体的，所以要有筛选环境。北大的方法是使用一种高分子材料，这种材料可以选择性的包裹半导体性质的碳纳米管，而不会包裹金属性质的碳纳米管。可问题是，怎么把其中半导体性质的碳纳米管挑选出来呢？具体是这样做的：首先，把这些碳纳米管放入丁烯二醇和三氯乙烷的溶液里。这两种溶液，互不相容，丁烯二醇轻，漂在上侧；三氯乙烷重，沉在下侧。然后，把一张基片插入溶液里，再匀速地慢慢提起来。由于漂在顶部的丁烯二醇，会和这种高分子材料中的氮原子握手，形成化学键。而刚才说了，这种高分子

9、材料只包裹半导体性质的碳纳米管，于是其中半导体性质的碳纳米管刚刚和液体表面接触，就被拽到了基片上。这样慢慢提起来,就形成了整齐排列并且都是半导体性质的碳纳米管。不过，这个方法虽然解决了无法批量地、整齐地、同质化地制造半导体性质的碳纳米管的问题，却没法解决灵活设计的需求。比如，想生产凸型的、凹型的或者乐高积木那样的碳纳米管，该怎么办呢？在2019年的科学杂志上，有人发明了可设计的碳纳米管生产方法，能解决这个问题。这个方法用的是DNA单链变双链的原理。我们知道，DNA是双链结构，两条碱基互补的紧紧螺旋缠绕在一起。但在细胞分裂的时候，DNA会解旋，双链变单链。然后在分裂的末期，在酶和蛋白质的作用下，

10、自动从单链补齐成双链。所以，可以在碳纳米管与其他碳纳米管相结合的部位，植入一条单链DNA,甩出去一条小尾巴。只要两个碳纳米管甩出去的两条单链DNA在碱基序列上是互补的，那它们就会在靠近的时候结合在一起。而当它们结合上的时候，两个碳纳米管也会正好按照正确的空间位置结合在一起。通过这样的方式，就能做出复杂一些的设计。这个团队一共设计出了 100多种基础结构，和乐高积木的基础模块非常像。每一个的大小都和今天顶级的半导体工艺差不多，大约20 nmo听着好像是在搭积木，但实际上，过程都是在溶液里进行的。想要让这些基础模块正常工作，就必须把它们放在一个固体的基片上。并且把帮助碳纳米管结合时使用的DNA去除掉才行，否则这些杂质会严重影响芯片的性能。现在，利用这种方法能实现的最大集成度，是L4万个碳纳米管晶体管。并且在实验室里，用这种方法还做成了一个可以运行的处理器，是16位的，主频10 KHzo研究人员用它运行了一个显示“hello world的程序。此前，石墨烯一直没有被广泛应用，如果碳纳米管也能广义地算一种石墨烯的话，也许今后石墨烯最重要的应用场景就是芯片了。