碳基芯片將讓中國半導體實現「彎道超車」？其實沒那麼簡單

第一塊集成電路誕生於1958年，由美國人基爾比發明。此後，半導體集成電路產業在市場起基礎性作用的環境下發展起來並不斷進步，從原材料、半導體設備、開發設計、製造、封測，到最終的市場，至今已經形成了全球化的分工與合作機制，且基本上是硅基芯片的天下。從第一塊集成電路誕生至今，時間長達60餘年。硅芯片的歷史有60餘年，並且仍在持續，不是隨便說替代就可以替代的。

在嚴格遵循摩爾定律的前提下，進入市場的芯片，最先進的到了7nm工藝節點，之後的5nm、3nm和2nm芯片雖然現在沒有真正流入市場，但也可在晶圓廠大量生產製造。台積電是全球最領先的晶圓代工廠，據估計，在理想狀態下，到2025年，6nm、5nm和3nm工藝將在台積電的營收中佔大部分，而2nm及以下節點工藝還未開始為台積電貢獻收入。而且就算是5nm工藝節點的芯片，在初期主要是靠了華為和蘋果兩家「土豪」公司的需求來帶動（三星可以自己量產5nm芯片），未來3nm，甚至2nm及更小節點的芯片在市場上有多大的需求，其實說不準。

碳基芯片畢竟停留在實驗室，商業前景不明朗，至少在未來5到7年里，或者說沒有龐大的市場需求驅動，企業應該沒有什麼動力去為碳基芯片的商業應用進行大量投入。簡而言之，沒有真正引發全球業界強烈的共鳴，一個巴掌拍不響的。

▲2018至2025年，各製程工藝在台積電營收中的貢獻變化

當前半導體行業中的光刻機、EDA軟件設計工具、測試儀器、生產工藝流程等是否可用於製造碳基芯片?彭練矛院士說：「使用率大約能達到80%~90%，但碳管材料的清洗、刻蝕等步驟需要特殊處理，碳管器件的模型需要單獨建立。」換言之，當硅基芯片在工藝上達到極限、再也無法突破，轉而投向碳基芯片，那麼業界要推動碳基芯片繼續縮小節點，還必須要仰賴其他環節。例如光刻機，光刻在硅基半導體晶圓製造成本中可是佔到大約一半。

一方面，中國（包括政府、科研機構和企業等在內）圍繞硅基芯片總計投入的人力、物力和財力非常之大，涉及原材料、半導體機台設備、開發設計、生產製造、封裝測試等幾乎所有環節，從國家層面考慮，目的不外乎是儘可能縮小與國際領先之間的差距，同時為培育出大量本土人才創造條件。中國在集成電路領域投入如此之大，尚沒有好好消化、完全吃透，實現應有的回報。但另一方面，中國半導體產業在原材料、半導體生產設備、軟件設計工具等環節相對滯後也是事實，而且高度依賴國外廠商。最致命的還是，高端專業人才稀缺，仍需大量引進。在此情況下，就算中國本土半導體上中下游企業肯齊心協力轉向碳基芯片，希望搶先國外一步實現所謂的「彎道超車」，也不能不考慮各種可能的風險。例如，華為與台積電本來合作得非常愉快，但美國企圖徹底阻止台積電為華為代工芯片。

況且，彭練矛院士自己也說：「現代芯片製備有上千個步驟，其中一步做不好，就沒有好的產品。最後是一個系統優化的問題，材料、器件、芯片設計等密不可分。」

另外，彭練矛教授還說過：「碳納米管的製造乃至商用，面臨最大的問題還是決心，國家的決心。若國家拿出支持傳統集成電路技術的支持力度，加上產業界全力支持，3-5年應當能有商業碳基芯片出現，10年以內碳基芯片開始進入高端、主流應用。」

根據已公開的信息（碳基的一些優勢在此省去不說了），碳基芯片是半導體產業的方向之一，但不能確定就是技術發展的唯一必然方向。不過，業界確實可以從最簡單的商業應用開始嘗試做起，從簡單到複雜，從低端到高端，從小範圍到大範圍，從專業特定領域到全範圍推廣。