國內(nèi)首條碳基集成電路生產(chǎn)線為何誕生在重慶？碳基芯片能打破摩爾定律的“天花板”，取代硅基芯片成為主流嗎？“中國芯”能憑此逆風(fēng)翻盤，實(shí)現(xiàn)“換道超車”嗎？碳基芯片距離我們的生活還有多遠(yuǎn)？……隨著國內(nèi)首條碳基集成電路生產(chǎn)線在渝投運(yùn)，人們對(duì)“中國芯”有了新期待。
25年磨一劍
“要想不受制于人，必須要發(fā)展自己的集成電路技術(shù)”
西部（重慶）科學(xué)城西永微電園是一棟三層小樓，是北大重慶碳基院的所在地。2025年4月，研究院剛從附近的一處臨時(shí)辦公場地喬遷于此。走進(jìn)研究院，一塊大屏幕映入眼簾。屏幕上顯示的，便是國內(nèi)首條碳基集成電路生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)場景——潔凈的生產(chǎn)車間里，幾個(gè)身著防塵服的工人在來回走動(dòng)，他們身旁的設(shè)備有序運(yùn)行著，一道道工序完成后，碳基晶圓便從這里下線。
“這條生產(chǎn)線上，碳基集成電路專用設(shè)備有十幾臺(tái)，都是國產(chǎn)的，一部分還是由我們北大團(tuán)隊(duì)和研究院團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的。”北京大學(xué)電子學(xué)院教授、北大重慶碳基院院長張志勇說。研究院展廳里，兩片薄薄的8英寸碳基晶圓放在玻璃展示柜上，經(jīng)過后續(xù)加工，一片晶圓能分割出100多顆碳基芯片。目前，生產(chǎn)線投運(yùn)一個(gè)月，像這樣的晶圓，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)?！斑@一天，我們等了25年！”他感慨道。
碳基芯片，顧名思義，是以碳為核心材料制造而成。具體而言，北大重慶碳基院采用的是碳納米管。這種材料于上世紀(jì)90年代被發(fā)現(xiàn)，是一種由碳原子組成的微小管狀結(jié)構(gòu)。以中國科學(xué)院院士彭練矛領(lǐng)銜的北大碳基團(tuán)隊(duì)，對(duì)它的研究已有25年。
碳基晶圓的旁邊，就擺放著一個(gè)碳納米管模型，它比實(shí)際的碳納米管放大了一億倍。“碳納米管肉眼不可見，直徑只有1—2納米，相當(dāng)于頭發(fā)絲的50萬分之一?！睆堉居陆榻B。不過，這些管子雖然很微小，卻有強(qiáng)大到令人驚嘆的特性——電子在碳納米管里的移動(dòng)速度比硅快約10倍，這意味著，它能制造出運(yùn)算速度更快的電子器件，且功耗低、散熱效果好。更重要的是，有別于硅基芯片是晶體管的二維集成，它能實(shí)現(xiàn)晶體管的三維集成，達(dá)到更高的集成度，在理論上具有更高的性能潛力，從而打破摩爾定律的“天花板”，突破當(dāng)前硅基芯片面臨的技術(shù)瓶頸。
事實(shí)上，上世紀(jì)90年代，國內(nèi)外知名高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)都對(duì)碳納米管表示出極大興趣，掀起了一波研究熱潮。不過，那時(shí)研究人員是基于單根碳納米管展開研究，要將幾十億甚至上百億根的碳納米管晶體管集成在一張基底材料上，他們認(rèn)為是一個(gè)不可逾越的障礙，因而無法制備出碳基芯片。
后來，不少研究人員都選擇了放棄，但北大碳基團(tuán)隊(duì)一直在堅(jiān)持。為何要堅(jiān)持？這是科學(xué)家勇闖“無人區(qū)”的科學(xué)追求，更是芯片破解“卡脖子”難題、擺脫受制于人的國家使命。張志勇坦言，硅基芯片在美國已經(jīng)發(fā)展了60多年，而在整個(gè)硅基芯片的研發(fā)上，我們國家落后很多，不論是材料還是設(shè)備、軟件、制造工藝等，都是購買別人的，想在硅基的道路上“彎道超車”不太現(xiàn)實(shí)，需要“換道開車”。而在碳基的道路上，對(duì)全球來說，這都是一條全新的賽道，更何況，目前我們還處于相對(duì)領(lǐng)先的位置，甚至有望憑此“換道超車”，“要想不受制于人，我們必須要發(fā)展自己的集成電路技術(shù)。”為此，自2001年以來，在國家持續(xù)20年的專項(xiàng)支持下，北大碳基團(tuán)隊(duì)從零開始，探究用碳納米管材料制備集成電路的方法，研發(fā)出一整套高性能碳納米管晶體管的無摻雜制備方法。
成功“牽線”
選擇重慶有4大原因
2020年，北大碳基團(tuán)隊(duì)首次制備出達(dá)到大規(guī)模碳基集成電路所需的高純、高密碳納米管陣列材料，并加工出性能超越硅基集成電路的碳納米管集成電路。相關(guān)研究成果在世界頂級(jí)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。然而，這并不意味著碳基集成電路技術(shù)就完成了技術(shù)落地，具備市場競爭力。把學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)變成一個(gè)可規(guī)模生產(chǎn)的工業(yè)化技術(shù)，讓碳基芯片實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用，這中間還有很長的路要走。
在張志勇看來，要實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，就需要專用的生產(chǎn)線，這是學(xué)校里所不具備的。要想推動(dòng)碳基集成電路技術(shù)繼續(xù)向前走，他們就需要走出學(xué)校，爭取更多資源，開展碳基集成電路的工程化和未來的產(chǎn)業(yè)化研究。北大重慶碳基院常務(wù)副院長劉洪剛于2021年加入北大碳基團(tuán)隊(duì)，他的主要工作，就是推動(dòng)碳基集成電路技術(shù)的工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化。
據(jù)他回憶，那時(shí)，團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)不少地方都進(jìn)行了考察，一些省市也主動(dòng)找上門，給出很有吸引力的政策。但經(jīng)過一年的調(diào)研和洽談，以及深思熟慮，他們最終選擇了重慶。原因有多方面：首先，重慶是中西部唯一的直轄市，在國家發(fā)展戰(zhàn)略中占有重要地位。其次，重慶擁有產(chǎn)業(yè)化人才資源，不僅本地有很多電子類院校，還引進(jìn)和培育了大量新型研發(fā)機(jī)構(gòu)，吸引和聚集了很多產(chǎn)業(yè)化人才。再次，從國家到地方，都制定和出臺(tái)了不少政策，支持重慶大力發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)。另外，重慶的智能網(wǎng)聯(lián)新能源汽車、新一代電子信息等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，讓這里具備豐富的應(yīng)用場景，一旦碳基芯片實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，就能在這里快速落地應(yīng)用。
事實(shí)上，劉洪剛透露，這當(dāng)中還有一個(gè)重要原因，在重慶市政府的支持下，西永微電園基于一流的產(chǎn)業(yè)資源和政策優(yōu)勢，當(dāng)時(shí)已經(jīng)成功搭建了一條8英寸硅光特色工藝生產(chǎn)線，這讓團(tuán)隊(duì)眼前一亮?！氨M管這條生產(chǎn)線和我們的技術(shù)路徑不一樣，但在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，增加一些碳基集成電路專用設(shè)備，就能迅速搭建起一條碳基集成電路生產(chǎn)線。”他表示，碳基集成電路的工程化和產(chǎn)業(yè)化有許多問題亟待解決，需要很長的時(shí)間和大量的投入。在現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上建設(shè)生產(chǎn)線，無疑將為團(tuán)隊(duì)節(jié)省大量的時(shí)間和投入。
當(dāng)市政府有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)率隊(duì)前往北大進(jìn)行洽談時(shí)，一聽說這條生產(chǎn)線，整個(gè)碳基團(tuán)隊(duì)都非常興奮。最終，這條生產(chǎn)線讓北大碳基團(tuán)隊(duì)與重慶“牽線”成功，2023年11月，北大重慶碳基院在西永微電園正式揭牌成立，就在這條生產(chǎn)線附近“安了家”。也是從那一年起，劉洪剛開始常駐重慶?！皠倎頃r(shí)，我們雖在臨時(shí)場地辦公，但距離生產(chǎn)線只有三五百米。團(tuán)隊(duì)人員隔三岔五就往產(chǎn)線跑，甚至從早到晚就泡在車間里?！彼寡?，從實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)研究，到生產(chǎn)線的工程化驗(yàn)證，這一步很關(guān)鍵。盡管團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里做出了一些碳基芯片，效果不錯(cuò)，但要從生產(chǎn)線上加工出來，會(huì)面臨一些新的技術(shù)難題，有待團(tuán)隊(duì)進(jìn)行二次開發(fā)。
經(jīng)過一年多的攻關(guān)，隨著生產(chǎn)線動(dòng)起來，一片片碳基晶圓開始下線，整個(gè)工藝流程走通了！第一片碳基晶圓下線后，劉洪剛發(fā)了一條微信朋友圈，放上了一張“新鮮出爐”的晶圓照片。一時(shí)間，他的朋友圈就炸了鍋。
“沿途下蛋”推動(dòng)成果落地
“我們從鄉(xiāng)村小路走上了高速路”
早在2009年，國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖（ITRS）委員會(huì)就把碳納米管列為延續(xù)摩爾定律的未來集成電路材料選擇。如今，用碳納米管晶體管制備的碳基芯片，綜合性能可以比硅基芯片提高成百上千倍，逐漸成為學(xué)界的共識(shí)。目前，北大重慶碳基院團(tuán)隊(duì)已組建起一支60人的碳基工程化隊(duì)伍，由彭練矛院士擔(dān)任首席科學(xué)家，高層次青年人才擔(dān)任核心骨干，碩博比例達(dá)到50%以上。
“在碳基集成電路技術(shù)的工程化發(fā)展上，可以說，我們是從鄉(xiāng)村小路走上了高速路?！睆堉居赂锌馈Ｊ聦?shí)上，團(tuán)隊(duì)還有更長遠(yuǎn)的技術(shù)發(fā)展規(guī)劃——“十四五”時(shí)期，在上述碳基集成電路生產(chǎn)線上，完成從器件設(shè)計(jì)、單步工藝、工藝集成到器件優(yōu)化的全流程技術(shù)能力建設(shè)，邁出碳基芯片從實(shí)驗(yàn)室走向工程化的第一步。在此基礎(chǔ)上，“十五五”時(shí)期，獨(dú)立打造28納米碳基集成電路生產(chǎn)線，對(duì)標(biāo)7納米硅基集成電路性能，到2028年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)碳基晶圓10萬片的目標(biāo)。
事實(shí)上，團(tuán)隊(duì)在工藝技術(shù)上保持領(lǐng)先水平的同時(shí)，也為重慶打造碳基集成電路技術(shù)高地和產(chǎn)業(yè)化高地先發(fā)優(yōu)勢奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?！霸谶@一年多的發(fā)展中，我們和西永微電園的多家企業(yè)都建立了合作，已深度融入了重慶集成電路產(chǎn)業(yè)鏈上下游。”劉洪剛說，近期，研究院還與重慶賽寶工業(yè)技術(shù)研究院達(dá)成合作，在西永微電園建設(shè)碳基集成電路檢測中心，打造國內(nèi)一流的檢測平臺(tái)，面向行業(yè)提供公共服務(wù)。
“將尺寸更小、速度更快、性能更強(qiáng)、功耗更低的碳基芯片推至行業(yè)主流，讓人們更好地享受智能時(shí)代的生活，是團(tuán)隊(duì)的未來目標(biāo)。盡管路還很長，但我們已經(jīng)在通過‘沿途下蛋’的方式，推動(dòng)成果落地轉(zhuǎn)化?！痹搱F(tuán)隊(duì)相關(guān)負(fù)責(zé)人說?！疤蓟酒梢岳@過先進(jìn)光刻機(jī)的限制，具有更廣泛的應(yīng)用前景。”北大重慶碳基院技術(shù)研發(fā)人員王程博稱，目前，研究院正聚焦智能傳感、模擬射頻、先進(jìn)電子、AI芯片四個(gè)應(yīng)用方向，逐步推進(jìn)碳基芯片產(chǎn)品的應(yīng)用開發(fā)。
在研究院的展廳，擺放著一款氫氣檢測儀，這是研究院團(tuán)隊(duì)聚焦智能傳感領(lǐng)域，開發(fā)的全球首款碳基手持式氫氣檢測儀。黑色的外表，只有遙控器一般大小，因?yàn)閮?nèi)置了一顆碳基芯片，它已經(jīng)展現(xiàn)出強(qiáng)大的功能?！斑@款產(chǎn)品在重慶多家車企進(jìn)行了應(yīng)用。”王程博介紹，只要將它靠近氫能源汽車，就能快速靈敏地檢測出是否有氫氣泄漏。即便是在新疆等地極端氣候下，它也展現(xiàn)出穩(wěn)定的性能，可以為氫能源汽車發(fā)展提供安全保障。
像這樣搭載碳基芯片的產(chǎn)品，今后還將有很多。劉洪剛介紹，目前，北大重慶碳基院已經(jīng)成立了產(chǎn)業(yè)孵化平臺(tái)，通過提供“人才培養(yǎng)、平臺(tái)共享、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、種子基金”等扶持政策，未來將重點(diǎn)孵化5家創(chuàng)新型科技企業(yè)，加快培育壯大碳基集成電路產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
劉洪剛稱，碳基集成電路一旦進(jìn)入主流集成電路市場，將帶動(dòng)上下游產(chǎn)生千億量級(jí)的產(chǎn)值，助力重慶成為集成電路技術(shù)與人才高地，為重慶打造萬億級(jí)新一代電子信息技術(shù)制造業(yè)貢獻(xiàn)力量。
