近日，MIT（麻省理工學(xué)院）的研究員發(fā)現(xiàn)，石墨烯技術(shù)可使芯片的速率提升百萬倍。前MIT博士Ido Kaminer表示，這項(xiàng)技術(shù)在轉(zhuǎn)移和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的過程中，可使芯片的計(jì)算能力提升至一個(gè)極高的水平。

在過去的幾十年中，硅一直是制造芯片的原材料首選。不過，硅基芯片本身存在著不少的缺陷，硅這種材料在芯片制造方面也缺乏提升的空間。隨著石墨烯技術(shù)的逐漸發(fā)展，芯片行業(yè)也面臨著一場革新。許多研究人員都希望將石墨烯技術(shù)應(yīng)用于芯片，許多企業(yè)也在投資研發(fā)此項(xiàng)技術(shù)。

石墨烯技術(shù)的日臻成熟或許會(huì)為芯片行業(yè)帶來極大的改變。不過，在這一過程中，也仍會(huì)面臨一些不可避免的缺陷。

一、石墨烯技術(shù)優(yōu)點(diǎn)頗多，未來或成芯片主要材料

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，它的厚度只相當(dāng)于一個(gè)碳原子?？梢哉f，石墨烯是世界上最薄卻最堅(jiān)硬的材料，也是世界上電阻率最小的材料。

由于以上特性，石墨烯成為了一種良好的導(dǎo)體，能夠用來制作光板、太陽能電池及透明觸控屏幕等具有高科技含量的產(chǎn)品。還能減少噪音，進(jìn)行電子基因測序等。

此次MIT認(rèn)為石墨烯可以制造出速率極快的芯片，也是由于石墨烯自身的特性。

MIT的研究人員發(fā)現(xiàn)，石墨烯的特性可以使光的速率降低，從而產(chǎn)生密集的光束。由于這種現(xiàn)象和飛機(jī)超越音速時(shí)產(chǎn)生的“音爆”相似，故而被稱為“光爆”。

在光爆過程中，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的速度因?yàn)榭煊诠舛艿骄窒迺r(shí)，石墨烯中的電子會(huì)釋放出“等離子體激元”，這一現(xiàn)象能夠?yàn)槌∮?jì)算機(jī)設(shè)備的光基電路的研制打基礎(chǔ)。

眾所周知，傳統(tǒng)芯片的原材料主要是硅。但是，石墨烯比硅要好用得多。

用硅制造的芯片，結(jié)構(gòu)是單層的，它們之間靠線來連接。這樣的芯片在傳輸數(shù)據(jù)流大、距離遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，往往會(huì)耗費(fèi)較多的資源，而且時(shí)常發(fā)生堵塞。

石墨烯則與之不同，它是六角型的、呈蜂巢晶格式的平面薄膜，傳導(dǎo)性極佳。因此能夠做到快速傳輸數(shù)據(jù)，提升芯片速率。

此外，硅基材料芯片的主頻與發(fā)熱量成正比，而主頻又是芯片性能重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。因此，許多芯片廠商為了控制發(fā)熱問題都會(huì)采取一些降頻措施。

目前，硅芯片的最高頻率在液氮環(huán)境下為8.4GHz，PC處理器的主頻為3-4GHz，移動(dòng)處理器的主頻則在2GHz左右。如果將石墨烯材料運(yùn)用在芯片制造中，效果則會(huì)好得多。

與硅基材料相比，石墨烯的載流子遷移率在室溫之下能夠達(dá)到硅的10倍以上，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下則可以達(dá)到100倍，同時(shí)飽和速度可達(dá)硅的5倍。由于石墨烯良好的導(dǎo)熱性，理論上能夠使芯片主頻達(dá)到300GHz，并且功耗低于硅基芯片。

對于石墨烯技術(shù)作用于芯片的研究，目前至少能夠確定兩點(diǎn)。

• 第一，石墨烯原材料相對于硅基材料來說具有更好的特性，無論是速度、功耗還是可縮減性能。石墨烯技術(shù)可以被推進(jìn)到8nm甚至5nm 的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，這恰好是2020年之后的數(shù)字電路目標(biāo)。
• 第二，石墨烯應(yīng)用于芯片的方案切實(shí)可行。在實(shí)驗(yàn)室中，許多研究人員已經(jīng)研制出了此方面的技術(shù)，投入實(shí)踐也是指日可待。

事實(shí)上，石墨烯技術(shù)目前也受到了各方的重視。

二、石墨烯技術(shù)受到各方青睞，或改變芯片行業(yè)現(xiàn)狀

由于石墨烯技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，眾多科技企業(yè)已經(jīng)開始對其進(jìn)行了芯片應(yīng)用方面的研發(fā)。

IBM一直是硬件領(lǐng)域中的巨頭，然而近年來，整個(gè)硬件行業(yè)的形勢下滑，創(chuàng)新成為重點(diǎn)。故而IBM也不斷嘗試著新技術(shù)，以期扭轉(zhuǎn)硬件行業(yè)式微帶來的不利局面，而創(chuàng)新的重點(diǎn)，就在于石墨烯技術(shù)。

IBM的主要計(jì)劃是提升芯片性能并縮減其尺寸，從而提升芯片效率。對于恰好能滿足這些要求的石墨烯技術(shù)，IBM投資了30億美元，嘗試對芯片進(jìn)行革新，實(shí)現(xiàn)硬件業(yè)務(wù)的復(fù)蘇。

The Envisioneering Group的研究主管Richard Doherty認(rèn)為，許多流過硅芯片的電力都轉(zhuǎn)化成了熱量，所以硅芯片的速度很難再有上升的空間。IBM方面則表示，石墨烯材料中的電子遷移速度是硅材料的10倍。未來，他們會(huì)針對這一領(lǐng)域進(jìn)行更多的研究。

此外，華為也在英國進(jìn)行了石墨烯的投資。作為國產(chǎn)手機(jī)廠商中為數(shù)不多的擁有自己芯片的企業(yè)，石墨烯技術(shù)必將成為其重點(diǎn)研發(fā)的對象。對此，華為高級副總裁陳黎芳表示：“我們在石墨烯領(lǐng)域的合作，將為未來信息通信行業(yè)發(fā)展、構(gòu)建更美好的全聯(lián)接世界，提供至關(guān)重要的基礎(chǔ)性支撐?！?/p>

在我國，石墨烯技術(shù)也同樣受到了重視。幾個(gè)月之前，發(fā)改委、工信部和科技部三部委印發(fā)了《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》，旨在引導(dǎo)石墨烯產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新、培育石墨烯行業(yè)進(jìn)一步壯大，最終帶動(dòng)材料產(chǎn)業(yè)的革新。

我國之所以如此重視石墨烯技術(shù)，是因?yàn)槠錁O高的載流子速度、有限的散射、優(yōu)異的等比縮小特性，使其成為電子器件和集成電路的首選材料。除了芯片行業(yè)之外，石墨烯技術(shù)還能夠在光纖通信、傳感器制造、5G通信等重要領(lǐng)域中得以應(yīng)用。

不過，石墨烯技術(shù)也存在著一些局限性。

• 第一，石墨烯的成本極高。

石墨烯的最高價(jià)格達(dá)到了5000元/克，在業(yè)內(nèi)有“黑金”之稱。因此，一般的企業(yè)在資金方面無法進(jìn)行研發(fā)，這也是為何石墨烯技術(shù)的玩家基本上都是三星、IBM、英特爾等巨頭的重要原因。

• 第二，石墨烯技術(shù)存在局限性。

石墨烯的生長是有嚴(yán)格的控制條件的，必須在絕緣襯底上定位，才能生長出所需管徑大小的半導(dǎo)體石墨烯。但是對石墨烯的生長進(jìn)行嚴(yán)格控制的條件目前尚無法實(shí)現(xiàn)。

• 第三，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

由于成本極高和技術(shù)上的局限性，石墨烯的生產(chǎn)仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，并未在商業(yè)用途方面實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。與之相比，硅基材料在成本和穩(wěn)定性方面仍存在優(yōu)勢。

其實(shí)，將二者結(jié)合也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。此前，哥倫比亞大學(xué)曾研發(fā)出一款石墨烯-硅光電混合芯片。應(yīng)用物理學(xué)教授Philip Kim認(rèn)為，這兩種材料的結(jié)合具備了超快的非線性光學(xué)調(diào)制性能，這將為芯片、集成電路、高速光通信等領(lǐng)域打開新的大門。

隨著移動(dòng)端的發(fā)展，PC端逐漸沒落。如果能夠開發(fā)出速度更快的芯片，將使更快的計(jì)算能力變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。這不僅能夠推動(dòng)芯片行業(yè)的進(jìn)步，還能夠推動(dòng)人工智能和認(rèn)知計(jì)算的發(fā)展。盡管目前石墨烯技術(shù)仍存在短板，但是在未來，這項(xiàng)技術(shù)或許會(huì)為芯片及相關(guān)行業(yè)帶來一場革命性的改變。

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