眼下,全球正面临着百年未有之大变局,全球变暖、能源危机让人类的未来充满了不确定性。作为能源消费大户和碳排放的主要来源之一,芯片制造的环保问题引起多方人士的重视。
在传统芯片技术支撑下,芯片性能已接近极限,目前每向前走一步,其综合性能只是增加百分之几十,但所需要付出的资源却是巨大的。
若没有颠覆性的高能效芯片技术,人类的发展将受到制约,我们的数字经济和未来的智能社会的发展就会成为一句空话。
芯片产业是全球合作的典范,需要各国共同发现问题,寻找解决途径。近年来,我国在开拓芯片技术新思路方面不断取得突破。
近日,在2022年太原能源低碳发展论坛开幕式暨高峰论坛上,中国科学院院士、北京碳基集成电路研究院院长彭练矛发表了主题为《从大自然中来到大自然中去:可循环的高性能碳基芯片技术》的演讲。
“生产芯片的工艺更简单,大大降低了能源消耗和二氧化碳的排放。由于碳基芯片可降解,实现了从大自然中来到大自然中去。”彭练矛语惊四座。
20年来,他带领团队研发出了整套碳基芯片技术,首次制备出性能接近理论极限,栅长仅5纳米的碳纳米管晶体管,实现了“从0到1”的突破,为中国芯片的发展开辟了一条崭新的“绿色”道路。
能耗挑战:“小芯片”遇到“大危机”
全球数字经济驶入“快车道”,5G时代来临,这对支撑海量信息处理的芯片提出了更高的要求。深度学习、自动驾驶、智能终端等各种新兴行业的崛起需要芯片速度更快、续航时间更长,但如今传统的芯片技术几乎处于停滞状态。
在传统工艺中,芯片制造一直是“硅”的天下。
当前,硅基芯片已经进入5纳米时代,甚至在向2纳米、1纳米探索,这意味着,硅基芯片性能逼近物理极限。
随着晶体管的不断微缩,“摩尔定律”逐渐逼近极限,现有硅基芯片已经进入发展的瓶颈期。首先,在工艺方面,出现了量子隧穿效应、原子掺杂涨落、功耗墙等现象。其次在架构方面,出现了冯诺依曼架构的内存墙现象。而在晶体管原理方面,也出现了亚阈值摆幅的玻尔兹曼极限与工作电压的缩减极限。
传统硅基芯片技术面临的另一个重大挑战是能耗。从芯片制造到芯片使用都伴随着大量的能源消耗。
芯片制造需要3000多道工序,包括1000度以上的高温工艺和高能量离子注入的工艺等,这都需要消耗巨大的电能。
据统计,现在中国的计算中心用电相当于两个三峡大坝,总电量大概占3%~4%。未来指数式增加的算力需求带来芯片能耗的激增,但是人类使用能源每年的增长量大概是2%~3%,根据国际上权威的委员会预测,芯片年用电在2040年以前就会超过人类平均每年所能提供的能源总量。彭练矛预测,很快芯片用电就会成为人类用电的最大用户,如果按照现在的芯片技术,很快就满足不了我们的需求。
碳基技术,打破芯片“天花板”
步入21世纪以来,寻找能够替代硅的芯片材料,成为热门话题。启用新材料、发展新技术、采用新架构是从根本上解决芯片性能问题的出路。
2009年,国际半导体技术路线图委员会支持新兴器件/材料(ERD/ERM)工作组选择碳基纳米电子学作为需要重点关注和投资的技术,用以加速半导体电子产业的发展。
据Stanford预测,三维碳芯片相较于二维硅基芯片具有近1000倍的能效优势。不仅如此,DARPA项目也显示,采用三维近存计算架构的90nm碳基芯片的能效将远超7nm硅基技术的芯片。
总而言之,用碳纳米管制备的碳基芯片的综合性能可以比硅基集成电路提高成百上千倍,这已成学界的共识。除此之外,碳基芯片还能在很大程度上缓解未来对能源的需求,间接缓解能源危机。
早在2000年,彭院士就带领研究团队,从零开始,探究用碳纳米管材料制备集成电路的方法。
2017年,彭院士带领团队首次制备出栅长5纳米的碳纳米管晶体管,提速降耗成果显著。2017年8月,在《人民日报》上发表的《中国‘芯’走出自强路》中指出,其“工作速度是因特尔最先进的14纳米商用硅材料晶体管速度的3倍,而能耗只是其四分之一。”
研制出高性能碳纳米管晶体管无疑是我国科学家奋力追赶世界先进水平的征途中取得的一个重大胜利,是中国信息科技发展的一座新里程碑。
2020年,该团队首次制备出达到大规模碳基集成电路所需的高纯、高密碳纳米管阵列材料,并采用这种材料首先实现了性能超越硅基集成电路的碳纳米管集成电路,电路频率超过8千兆赫兹,跻身国际领跑行列。
carbon to carbon,双碳新注释
碳基芯片的“绿色”还体现它卓越的减碳效果。
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、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。
如果使用二氧化碳制备碳纳米管,我们将实现取之于碳,用之于碳,变废为宝。
山西清洁碳经济产业研究院发布的世界首创工业二氧化碳烟气制碳纳米管、石墨烯等高附加值材料,一吨碳纳米管可减少3.5吨二氧化碳排放。
另外,尤其值得一提的是,碳基芯片可在大自然中降解,真正做到从大自然中来到大自然中去。即,carbon to carbon。
这正迎和了中国明确提出的2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标,同时也是碳基技术对双碳的新注释。
如今,传统的硅基芯片技术遭遇“天花板”,碳基技术有望提供新的动力,驱动半导体产业新一轮的蓬勃发展。可循环的高能效碳基芯片技术,对全球来说都是一条新的道路。
而碳基芯片的发展,我国的研发起步和进展都令人欣喜。彭练矛称,目前我们基本掌握了碳纳米管集成电路制备技术,能够在实验室把碳纳米管集成电路加工出来,性能是目前为止世界上最好的,电路频率比美国研发的高了几十倍。
这是中国芯片突破西方封锁、开启自主创新时代的新机会。有助于我们在现有优势下扬长避短,从材料开始,全面突破现有的主流半导体技术,研制出中国人完全自主可控的芯片技术,通过发展碳基芯片,实现中国芯的“换道超车”。
即使如此,我国距离实现在芯片技术上超越欧美还有很长的路要走,彭练矛也清醒地指出,碳基技术要想全面超越主流半导体技术,还需要稳定和更高强度的支持。
发展碳基芯片技术,任重而道远。
