国内首条碳基集成电路生产线为何诞生在重庆？碳基芯片能打破摩尔定律的“天花板”，取代硅基芯片成为主流吗？“中国芯”能凭此逆风翻盘，实现“换道超车”吗？碳基芯片距离我们的生活还有多远？……随着国内首条碳基集成电路生产线在渝投运，人们对“中国芯”有了新期待。近日，记者带着一系列问题，走进北京大学重庆碳基集成电路研究院（以下简称“北大重庆碳基院”）进行了采访。 西部（重庆）科学城西永微电园是一栋三层小楼，是北大重庆碳基院的所在地。今年4月，研究院刚从附近的一处临时办公场地乔迁于此。 洁净的生产车间里，几个身着防尘服的工人在来回走动，他们身旁的设备有序运行着，一道道工序完成后，碳基晶圆便从这里下线。 “这条生产线上，碳基集成电路专用设备有十几台，都是国产的，一部分还是由我们北大团队和研究院团队自主研发的。”北京大学电子学院教授、北大重庆碳基院院长张志勇说。 研究院展厅里，两片薄薄的8英寸碳基晶圆放在玻璃展示柜上，经过后续加工，一片晶圆能分割出100多颗碳基芯片。目前，生产线投运一个月，像这样的晶圆，已经实现量产。 碳基芯片，顾名思义，是以碳为核心材料制造而成。具体而言，北大重庆碳基院采用的是碳纳米管。这种材料于上世纪90年代被发现，是一种由碳原子组成的微小管状结构。以中国科学院院士彭练矛领衔的北大碳基团队，对它的研究已有25年。 碳基晶圆的旁边，就摆放着一个碳纳米管模型，它比实际的碳纳米管放大了一亿倍。“碳纳米管肉眼不可见，直径只有1—2纳米，相当于头发丝的50万分之一。”张志勇介绍。 不过，这些管子虽然很微小，却有强大到令人惊叹的特性——电子在碳纳米管里的移动速度比硅快约10倍，这意味着，它能制造出运算速度更快的电子器件，且功耗低、散热效果好。更重要的是，有别于硅基芯片是晶体管的二维集成，它能实现晶体管的三维集成，达到更高的集成度，在理论上具有更高的性能潜力，从而打破摩尔定律的“天花板”，突破当前硅基芯片面临的技术瓶颈。 事实上，上世纪90年代，国内外知名高校、科研机构和公司都对碳纳米管表示出极大兴趣，掀起了一波研究热潮。不过，那时研究人员是基于单根碳纳米管展开研究，要将几十亿甚至上百亿根的碳纳米管晶体管集成在一张基底材料上，他们认为是一个不可逾越的障碍，因而无法制备出碳基芯片。 张志勇坦言，硅基芯片在美国已经发展了60多年，而在整个硅基芯片的研发上，我们国家落后很多，不论是材料还是设备、软件、制造工艺等，都是购买别人的，想在硅基的道路上“弯道超车”不太现实，需要“换道开车”。而在碳基的道路上，对全球来说，这都是一条全新的赛道，更何况，目前我们还处于相对领先的位置，甚至有望凭此“换道超车”，“要想不受制于人，我们必须要发展自己的集成电路技术。” 为此，自2001年以来，在国家持续20年的专项支持下，北大碳基团队从零开始，探究用碳纳米管材料制备集成电路的方法，研发出一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法。 2020年，北大碳基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，并加工出性能超越硅基集成电路的碳纳米管集成电路。相关研究成果在世界顶级期刊《科学》上发表。 然而，这并不意味着碳基集成电路技术就完成了技术落地，具备市场竞争力。把学校实验室的技术变成一个可规模生产的工业化技术，让碳基芯片实现规模化生产和应用，这中间还有很长的路要走。 在张志勇看来，要实现规模化生产，就需要专用的生产线，这是学校里所不具备的。要想推动碳基集成电路技术继续向前走，他们就需要走出学校，争取更多资源，开展碳基集成电路的工程化和未来的产业化研究。 北大重庆碳基院常务副院长刘洪刚于2021年加入北大碳基团队，他的主要工作，就是推动碳基集成电路技术的工业化和产业化。 据他回忆，那时，团队在国内不少地方都进行了考察，一些省市也主动找上门，给出很有吸引力的政策。但经过一年的调研和洽谈，以及深思熟虑，他们最终选择了重庆。 原因有多方面：首先，重庆是中西部唯一的直辖市，在国家发展战略中占有重要地位。其次，重庆拥有产业化人才资源，不仅本地有很多电子类院校，还引进和培育了大量新型研发机构，吸引和聚集了很多产业化人才。再次，从国家到地方，都制定和出台了不少政策，支持重庆大力发展集成电路产业。另外，重庆的智能网联新能源汽车、新一代电子信息等产业的发展，让这里具备丰富的应用场景，一旦碳基芯片实现规模化量产，就能在这里快速落地应用。 事实上，刘洪刚透露，这当中还有一个重要原因，在重庆市政府的支持下，西永微电园基于一流的产业资源和政策优势，当时已经成功搭建了一条8英寸硅光特色工艺生产线，这让团队眼前一亮。 “尽管这条生产线和我们的技术路径不一样，但在此基础上进行改造，增加一些碳基集成电路专用设备，就能迅速搭建起一条碳基集成电路生产线。”他告诉记者，碳基集成电路的工程化和产业化有许多问题亟待解决，需要很长的时间和大量的投入。在现有资源的基础上建设生产线，无疑将为团队节省大量的时间和投入。 当市政府有关领导率队前往北大进行洽谈时，一听说这条生产线，整个碳基团队都非常兴奋。最终，这条生产线让北大碳基团队与重庆“牵线”成功，2023年11月，北大重庆碳基院在西永微电园正式揭牌成立，就在这条生产线附近“安了家”。 也是从那一年起，刘洪刚开始常驻重庆。“刚来时，我们虽在临时场地办公，但距离生产线只有三五百米。团队人员隔三岔五就往产线跑，甚至从早到晚就泡在车间里。”他坦言，从实验室的技术研究，到生产线的工程化验证，这一步很关键。尽管团队在实验室里做出了一些碳基芯片，效果不错，但要从生产线上加工出来，会面临一些新的技术难题，有待团队进行二次开发。 早在2009年，国际半导体技术发展路线图（ITRS）委员会就把碳纳米管列为延续摩尔定律的未来集成电路材料选择。如今，用碳纳米管晶体管制备的碳基芯片，综合性能可以比硅基芯片提高成百上千倍，逐渐成为学界的共识。 目前，北大重庆碳基院团队已组建起一支60人的碳基工程化队伍，由彭练矛院士担任首席科学家，高层次青年人才担任核心骨干，硕博比例达到50%以上。 事实上，团队还有更长远的技术发展规划——“十四五”时期，在上述碳基集成电路生产线上，完成从器件设计、单步工艺、工艺集成到器件优化的全流程技术能力建设，迈出碳基芯片从实验室走向工程化的第一步。在此基础上，“十五五”时期，独立打造28纳米碳基集成电路生产线，对标7纳米硅基集成电路性能，到2028年实现年产碳基晶圆10万片的目标。 事实上，团队在工艺技术上保持领先水平的同时，也为重庆打造碳基集成电路技术高地和产业化高地先发优势奠定了坚实基础。 “在这一年多的发展中，我们和西永微电园的多家公司都建立了合作，已深度融入了重庆集成电路产业链上下游。”刘洪刚说，近期，研究院还与重庆赛宝工业技术研究院达成合作，在西永微电园建设碳基集成电路检测中心，打造国内一流的检测平台，面向行业提供公共服务。 “将尺寸更小、速度更快、性能更强、功耗更低的碳基芯片推至行业主流，让人们更好地享受智能时代的生活，是团队的未来目标。尽管路还很长，但我们已经在通过‘沿途下蛋’的方式，推动成果落地转化。”该团队相关负责人说。 “碳基芯片可以绕过先进光刻机的限制，具有更广泛的应用前景。”北大重庆碳基院技术研发人员王程博称，目前，研究院正聚焦智能传感、模拟射频、先进电子、AI芯片四个应用方向，逐步推进碳基芯片产物的应用开发。 在研究院的展厅，摆放着一款氢气检测仪，这是研究院团队聚焦智能传感领域，开发的全球首款碳基手持式氢气检测仪。黑色的外表，只有遥控器一般大小，因为内置了一颗碳基芯片，它已经展现出强大的功能。 “这款产物在重庆多家车企进行了应用。”王程博介绍，只要将它靠近氢能源汽车，就能快速灵敏地检测出是否有氢气泄漏。即便是在新疆等地极端气候下，它也展现出稳定的性能，可以为氢能源汽车发展提供安全保障。 像这样搭载碳基芯片的产物，今后还将有很多。刘洪刚介绍，目前，北大重庆碳基院已经成立了产业孵化平台，通过提供“人才培养、平台共享、技术转让、种子基金”等扶持政策，未来将重点孵化5家创新型科技公司，加快培育壮大碳基集成电路产业生态。 刘洪刚称，碳基集成电路一旦进入主流集成电路市场，将带动上下游产生千亿量级的产值，助力重庆成为集成电路技术与人才高地，为重庆打造万亿级新一代电子信息技术制造业贡献力量。
