下一代芯片技术发展的出路在哪里？碳或许能给我们答案
摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔（gordon moore）提出来的，揭示了信息技术进步的速度。
出品：科普中国
制作：中科院物理所科学传播协会
监制：中国科学院计算机网络信息中心
（图片来源：neatoshop.com）
摩尔定律
摩尔定律
摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔（gordon moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。这一定律揭示了信息技术进步的速度。
摩尔定律告诉我们，集成电路特征尺寸随时间是按照指数规律缩小的。可以说，它是集成电路发展的风向标。如果硅基芯片走到“穷途末路”，就意味着芯片上所能容纳的元器件数目达到了极限，那么芯片性能也就无法继续提升了。通俗一点，计算机更新换代的时代就结束了。这听起来非常耸人听闻，但却的确是一个切实而严峻的问题。大家一定很好奇，为什么摩尔定律就走到头了，特征尺寸不能在继续小下去，这就要回到我们所用的硅基材料的问题上。
硅基cmos技术
cmos 是 complementary metal oxide semiconductor（互补金属氧化物半导体）的缩写，它是指制造大规模集成电路芯片用的一种技术或用这种技术制造出来的芯片。而硅基cmos就是以硅为衬底的芯片。
高性能电子型和空穴型场效应晶体管（field effect transistor, fet）的制备及集成是硅基cmos技术的核心。晶体管尺寸的减小会导致器件加工越来越困难，其中有两大问题：一是器件的加工精度，二是半导体材料掺杂的均匀性。
首先，器件的加工精度遇到了问题。这其实很容易理解，芯片上晶体管的尺寸越来越小，加工自然越来越难，技术要求也越来越多。
其次，硅这种半导体材料的均匀掺杂遇到了问题，尤其是当期间尺寸达到纳米量级。半导体材料的掺杂是为了实现器件的电学性质，掺杂出现了问题，必定会严重影响晶体管电学性质的性能和稳定性。
硅基cmos技术遇到瓶颈，摩尔定律面临极限，那么大家最想问的一定是：这个问题是否就无解了？
ibm公司曾在2015年度的国际固态电路会议上宣布，微电子工业走到7纳米技术节点时将不得不放弃使用硅作为支撑材料，非硅基纳电子技术将会兴起。ibm 的系统计算表明，相比于硅芯片，10纳米技术节点碳纳米管芯片在性能和功耗方面都有明显改善。
例如，从硅基7纳米技术到5纳米技术，芯片速度大约提升20％ ；而相比硅基7纳米技术，碳纳米管7纳米技术的芯片速度将提升300％。ibm 甚至宣布，由碳纳米管构成的芯片将于2020年之前成型 。
作为与硅同为四族元素的碳，似乎成了未来的希望。那问题又来了，为什么是碳基材料？下面我们一起来看一下碳基材料的优势。
碳基材料的优势及挑战
电子学中的碳基材料主要有碳纳米管、石墨烯、富勒烯。我们主要给大家介绍一下呼声最高的碳纳米管和石墨烯。
1碳纳米管
△碳纳米管（来源：l
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摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔（gordon moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。这一定律揭示了信息技术进步的速度。
摩尔定律告诉我们，集成电路特征尺寸随时间是按照指数规律缩小的。可以说，它是集成电路发展的风向标。如果硅基芯片走到“穷途末路”，就意味着芯片上所能容纳的元器件数目达到了极限，那么芯片性能也就无法继续提升了。通俗一点，计算机更新换代的时代就结束了。这听起来非常耸人听闻，但却的确是一个切实而严峻的问题。大家一定很好奇，为什么摩尔定律就走到头了，特征尺寸不能在继续小下去，这就要回到我们所用的硅基材料的问题上。
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首先，器件的加工精度遇到了问题。这其实很容易理解，芯片上晶体管的尺寸越来越小，加工自然越来越难，技术要求也越来越多。
其次，硅这种半导体材料的均匀掺杂遇到了问题，尤其是当期间尺寸达到纳米量级。半导体材料的掺杂是为了实现器件的电学性质，掺杂出现了问题，必定会严重影响晶体管电学性质的性能和稳定性。
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例如，从硅基7纳米技术到5纳米技术，芯片速度大约提升20％ ；而相比硅基7纳米技术，碳纳米管7纳米技术的芯片速度将提升300％。ibm 甚至宣布，由碳纳米管构成的芯片将于2020年之前成型 。
作为与硅同为四族元素的碳，似乎成了未来的希望。那问题又来了，为什么是碳基材料？下面我们一起来看一下碳基材料的优势。
碳基材料的优势及挑战
电子学中的碳基材料主要有碳纳米管、石墨烯、富勒烯。我们主要给大家介绍一下呼声最高的碳纳米管和石墨烯。
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