碳基芯片将让中国半导体实现“弯道超车”？其实没那么简单

第一块集成电路诞生于1958年，由美国人基尔比发明。此后，半导体集成电路产业在市场起基础性作用的环境下发展起来并不断进步，从原材料、半导体设备、开发设计、制造、封测，到最终的市场，至今已经形成了全球化的分工与合作机制，且基本上是硅基芯片的天下。从第一块集成电路诞生至今，时间长达60余年。硅芯片的历史有60余年，并且仍在持续，不是随便说替代就可以替代的。

在严格遵循摩尔定律的前提下，进入市场的芯片，最先进的到了7nm工艺节点，之后的5nm、3nm和2nm芯片虽然现在没有真正流入市场，但也可在晶圆厂大量生产制造。台积电是全球最领先的晶圆代工厂，据估计，在理想状态下，到2025年，6nm、5nm和3nm工艺将在台积电的营收中占大部分，而2nm及以下节点工艺还未开始为台积电贡献收入。而且就算是5nm工艺节点的芯片，在初期主要是靠了华为和苹果两家“土豪”公司的需求来带动（三星可以自己量产5nm芯片），未来3nm，甚至2nm及更小节点的芯片在市场上有多大的需求，其实说不准。

碳基芯片毕竟停留在实验室，商业前景不明朗，至少在未来5到7年里，或者说没有庞大的市场需求驱动，企业应该没有什么动力去为碳基芯片的商业应用进行大量投入。简而言之，没有真正引发全球业界强烈的共鸣，一个巴掌拍不响的。

▲2018至2025年，各制程工艺在台积电营收中的贡献变化

当前半导体行业中的光刻机、EDA软件设计工具、测试仪器、生产工艺流程等是否可用于制造碳基芯片?彭练矛院士说：“使用率大约能达到80%~90%，但碳管材料的清洗、刻蚀等步骤需要特殊处理，碳管器件的模型需要单独建立。”换言之，当硅基芯片在工艺上达到极限、再也无法突破，转而投向碳基芯片，那么业界要推动碳基芯片继续缩小节点，还必须要仰赖其他环节。例如光刻机，光刻在硅基半导体晶圆制造成本中可是占到大约一半。

一方面，中国（包括政府、科研机构和企业等在内）围绕硅基芯片总计投入的人力、物力和财力非常之大，涉及原材料、半导体机台设备、开发设计、生产制造、封装测试等几乎所有环节，从国家层面考虑，目的不外乎是尽可能缩小与国际领先之间的差距，同时为培育出大量本土人才创造条件。中国在集成电路领域投入如此之大，尚没有好好消化、完全吃透，实现应有的回报。但另一方面，中国半导体产业在原材料、半导体生产设备、软件设计工具等环节相对滞后也是事实，而且高度依赖国外厂商。最致命的还是，高端专业人才稀缺，仍需大量引进。在此情况下，就算中国本土半导体上中下游企业肯齐心协力转向碳基芯片，希望抢先国外一步实现所谓的“弯道超车”，也不能不考虑各种可能的风险。例如，华为与台积电本来合作得非常愉快，但美国企图彻底阻止台积电为华为代工芯片。

况且，彭练矛院士自己也说：“现代芯片制备有上千个步骤，其中一步做不好，就没有好的产品。最后是一个系统优化的问题，材料、器件、芯片设计等密不可分。”

另外，彭练矛教授还说过：“碳纳米管的制造乃至商用，面临最大的问题还是决心，国家的决心。若国家拿出支持传统集成电路技术的支持力度，加上产业界全力支持，3-5年应当能有商业碳基芯片出现，10年以内碳基芯片开始进入高端、主流应用。”

根据已公开的信息（碳基的一些优势在此省去不说了），碳基芯片是半导体产业的方向之一，但不能确定就是技术发展的唯一必然方向。不过，业界确实可以从最简单的商业应用开始尝试做起，从简单到复杂，从低端到高端，从小范围到大范围，从专业特定领域到全范围推广。