隨着集成電路製程工藝向3nm下探，摩爾定律即將逼近物理極限的聲音也成為業界主流，那麼3nm之後集成電路將如何發展？一般認為材料和設計結構創新是未來機遇窗口所在。此前，台積電業務發展副總裁張曉強和英特爾技術與製造事業部副總裁Zhiyong Ma都曾表達過類似觀點。在眾多新材料中，碳納米管被認為是最有前途的新一代集成電路基礎材料。
刊登於《科學》期刊的論文《用於高性能電子學的高密度半導體碳納米管平行陣列》
5月22日，國際頂級科學期刊《科學》以長文形式刊登了中國科學院院士、北京大學電子學系主任彭練矛和北京大學電子學系教授張志勇團隊的論文《用於高性能電子學的高密度半導體碳納米管平行陣列》。該團隊通過多次提純和緯度限制自組裝方法，在四英寸基底上製備了密度高達120根/微米、半導體純度超過99.9999％的碳納米管平行陣列，並在此基礎上首次實現了性能超越同等柵長硅基CMOS的晶體管和電路。這意味着碳基集成電路已經初步具備工業化基礎，“碳時代”即將到來。
5月26日，彭練矛和張志勇團隊特意舉辦了媒體發佈會，向媒體和公眾介紹這項技術成果，發佈會上，彭練矛表示：“這是一項顛覆性的技術，不同於工藝節點下探帶來的數十個百分點的性能提升，碳基替代硅基可能帶來數百倍的提升。一旦成功產業化，能把現有的產業格局徹底打破。”在美國對中國高科技產業發展限制力度不斷加大的背景下，碳納米管集成電路技術的突破也給中國半導體產業創造了“變道超車”的可能性。
然而，正如張志勇所説：“這項工作到此並沒有結束，只是剛剛開始。”從奠定產業化基礎到真正實現產業化還有一段不短的路要走，尤其在半導體這個研發投入巨大、產業鏈環節眾多的行業。在彭練矛看來，學術界完成從0到1的創造之後，從1到無限的擴展必須由政府主導、產業界配合，才能推動這項革命性的技術真正落地。
被寄予厚望的碳納米管
自1991年日本研究人員首次在碳纖維中發現碳納米管至今，近三十年時間裏，對這一技術的研究從未間斷過。1998年，荷蘭代爾夫特理工大學和IBM的研究人員開發成功碳納米晶體管；2013年，全球第一台碳納米管計算機在斯坦福大學問世；2019年，MIT研製出最大碳納米管芯片……這些研究成果無不證明碳納米管是非常理想的構建集成電路的材料。
IBM理論計算表明，若完全按照現有二維平面框架設計，碳管技術相較硅基技術具有15代、至少30年以上優勢；斯坦福大學系統層面的模擬表明，碳管技術發展成為三維芯片技術，有望將目前的芯片綜合性能提升將近1000倍！因此，碳納米管自誕生之初就被寄予取代硅基的厚望。
在這一領域，中國團隊入局也不晚。彭練矛的團隊2000年起就開始從事相關研究工作，但受限於當時國內集成電路產業條件，直到2007年，這個團隊才做出真正有影響力的成績——完成碳納米管CMOS器件原型。2017年，該團隊首次製備出全世界迄今最小的高性能晶體管——柵長5納米的碳管晶體管，並將成果發表於《科學》期刊。該碳晶體管綜合性能比當時最好的碳基晶體管領先十倍！2018年，該團隊再次在《科學》期刊刊文，發展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶體管，功耗大約只有硅晶體管的三分之一。
走向產業化的技術瓶頸
擁有如此優勢的碳納米管之所以至今都停留在學術研究階段，沒能真正產業化，是因為碳納米管技術有其發展瓶頸，即傳統技術製備出的碳納米管既可能是半導體也可能是金屬，導電性質難以確定。眾所周知，只有半導體才能做晶體管。在學術研究階段這或許不是問題，但一旦走向產業化，就要求碳納米管具備兩個條件：第一，必須是純度99.9999％以上的純半導體；第二，排出均勻陣列，密度保持100-200根碳納米管/微米。
彭練矛和張志勇團隊研究成果得到國內外學術界高度評價
在彭練矛和張志勇團隊5月22日的研究成果問世之前，這是一個橫亙在全球學術和產業界面前的難題。據張志勇介紹，該團隊採用化學多次提純和物理高速離心方法結合解決了碳基半導體純度問題。通過類似拉單晶的方式讓碳納米管均勻排列。
北京大學電子學系教授張志勇
這一成果不僅一舉突破了碳納米管實用化瓶頸，同時其採用的無摻雜技術，相較於硅晶圓製備技術，減少了近一半工藝環節，使製備成本的大幅下降成為可能。基於碳基晶體管相對硅基晶體管的綜合性能優勢，用相對低端的晶圓加工設備做出性能高端的芯片也並非不可能。
產業化之路
雖然彭練矛和張志勇團隊的工作解決了碳納米管材料的問題，賦予碳納米管真正兑現自身潛力的可能性，但也只是給碳納米管工業化奠定了基礎，要真正產業化落地還有很長的路要走。
首先，半導體產業鏈環節眾多，除了材料之外，還需要EDA、設計、製造、封裝等眾多工具和環節力量配合，形成生態鏈，才能真正推動這場技術革命。這些僅靠彭練矛和張志勇團隊顯然是不現實的，這就需要產學合作。
目前，彭練矛和張志勇團隊正在與部分企業接觸，但合作進程推動緩慢。畢竟對於企業來説，產品和盈利是第一要務。因此，彭練矛和張志勇團隊也在努力將從材料到產品的所有環節走通。不過僅靠單一學術團隊，這項工作推進速度緩慢，且很難產出有市場競爭力的產品。
其次，半導體產業是一個需要巨大投入的產業，更何況從“硅時代”到“碳時代”是一場深刻的技術革命。然而，無論是政府還是企業，在看到產品之前投入熱情都不高。彭練矛無奈地説：“像這樣的精加工的技術，不去發展可能就不具有價值，更談不上產品。把加工技術發展好了，未來我們可能就具備成批的大量加工最先進產品的能力。但若不建設基礎能力不，未來也必定不會有先進產品誕生。”
最後，碳納米管技術未來在器件和集成電路設計、製備技術還需要進行大量工程化開發。降低成本，提高穩定性，向商用標準邁進。
為了推動碳納米管產業化，彭練矛和張志勇團隊在北京市政府和北京大學的支持下，於2018年成立了北京碳基集成電路研究院，致力於通過材料創新將集成電路技術推進到7nm節點以下，擁抱後摩爾時代。該研究院一方面將現有碳納米管制備技術推向工業化標準；另一方面努力打通碳基芯片製造各環節，將研究成果產品化。
談及碳納米管產業化落地工作，彭練矛告訴集微網：“除了投資、場地等硬件支持，有半導體工藝經驗的人才支持最為重要。微電子產業經過多年發展已經積累了非常好的經驗可以借鑑，但沒有相關人才，現在我們只能自己摸索，速度太慢了。”
中國“芯”“變道超車”機會
中國科學院院士、北京大學電子學系主任彭練矛
彭練矛認為，碳基半導體產業化的推動，須由政府主導，產業界配合。他坦言：“我們只能在小規模上慢慢努力，一定程度上還是要國家來下這個決心。判斷對現有加工芯片的能力和方式是否滿意，對碳基的未來是否看好。當然新的可能性有可能帶來新的前景，也有失敗的可能性。但除了碳管技術，其他材料離硅技術還差的遠。碳納米管是已經展示出的最有前景的技術。從我們20年工作經驗來看，也沒有發現可能阻止這項技術推進的障礙。”
鑑於碳基集成技術具有更好的工藝兼容性，可以實現柔性、透明等新形態芯片，有望在顯示、醫療和健康監控、抗輻射等特殊環境、以及近紅外成像等領域首先實現規模應用。而硅本身並非柔性材料，在這些特殊領域相對優勢薄弱。彭練矛建議，碳基半導體產業化可以優先從這些領域突破。
對新技術的貢獻度決定了未來產業的話語權，如同美國今天在集成電路產業的話語權來自其在該領域數十年的貢獻。碳基半導體是個全新的起點，尚沒有任何國家和團隊建立起絕對優勢，比如MIT在系統設計層面領先世界，而彭練矛和張志勇團隊在材料和晶體管性能方面技術領先。在芯片產業自主可控愈益緊迫的當下，碳納米管或能成為中國半導體產業“變道超車”的機會。
全新的基礎材料和晶圓製備工藝意味着一個重塑產業鏈的機會，從EDA到封裝，需要構建全新的生態鏈。這需要政府和業界以擁抱新技術的熱情和佈局未來的遠見，共同努力。值得一提的是，在5月26日的發佈會現場，有華為公司人員出席。不過當被問及雙方是否有合作時，彭練矛表示不便透露。