01

石墨烯的突圍

面對(duì)人才、資源和技術(shù)“總動(dòng)員”式的競(jìng)爭(zhēng)，中國(guó)半導(dǎo)體的發(fā)展，似乎將不可避免地與“世界”的差距越來越大。

但，凡事總有例外。

今年開年出現(xiàn)了一件大事，1月3日，天津大學(xué)與美國(guó)佐治亞理工學(xué)院合作，在碳化硅上首次用石墨烯合成一種功能半導(dǎo)體。其研究結(jié)果已經(jīng)登上了《Nature》。

這意味著石墨烯可能成為一種半導(dǎo)體，人類也將就此打開了一扇通往新世界的大門。有的人甚至評(píng)價(jià)道，這種開創(chuàng)性成就，可以讓“摩爾定律”再續(xù)命數(shù)十年！

想象一下，在未來，你拿著一部智能手機(jī)，它不僅運(yùn)行速度極快，而且電池續(xù)航時(shí)間驚人，即使連續(xù)玩幾個(gè)小時(shí)的游戲或觀看視頻，手機(jī)也不會(huì)發(fā)熱到燙手。

這是因?yàn)槭謾C(jī)內(nèi)部的芯片不再是傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體，而是采用了石墨烯半導(dǎo)體技術(shù)。

為什么石墨烯與半導(dǎo)體的結(jié)合這么厲害？

說到這，我們就要先了解一下，石墨烯半導(dǎo)體誕生前，人類是打算怎么搞出更快速的計(jì)算芯片的。

想要讓芯片更“快”，那自然就得提高頻率。而要提高頻率，就涉及到一個(gè)重要的概念——電子遷移率。

所謂電子遷移率，簡(jiǎn)單來說，就是電子在半導(dǎo)體材料中移動(dòng)的速度。

如果電子就像是一群在賽道上奔跑的運(yùn)動(dòng)員，電子遷移率就是這些運(yùn)動(dòng)員在給定時(shí)間內(nèi)能跑多遠(yuǎn)的能力。

電子遷移率高，意味著電子跑得快，這樣在同樣的時(shí)間內(nèi)能傳遞更多的信息，從而意味著數(shù)據(jù)處理速度更快。

話雖如此，但電子遷移率這種東西，還真不是越快越好。

因?yàn)樵诎雽?dǎo)體中，除了電子遷移率，還有一個(gè)叫做空穴遷移率的東西。

對(duì)硅這種材料來說，如果電子遷移率太高，高出空穴遷移率太多，就會(huì)導(dǎo)致電路的整體性能不均衡，影響電路的響應(yīng)速度和效率。

這就像兩位運(yùn)動(dòng)員需要在不同的階段接棒，共同完成整個(gè)比賽。A運(yùn)動(dòng)員（電子）跑得快，而B運(yùn)動(dòng)員（空穴）跑得慢，那么在接力棒交接的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)問題。

所以，在將硅作為半導(dǎo)體時(shí)，人們往往會(huì)通過摻雜，也就是在純凈的硅晶體中加入一些特定的原子，來改變硅的電學(xué)性質(zhì)，好讓電子遷移率“等一等”空穴遷移率。

一般來說，硅的電子遷移率大約在1400 cm2/(V*s)左右，而空穴遷移率則是450 cm2/(V*s)。

這樣的高低差，是硅材料本身固有晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)決定的，

雖然人們可以通過特定的摻雜工藝來縮小二者的差距， 但由于硅本身的遷移率上限，這樣的人工優(yōu)化，仍很難突破一個(gè)固定的比例（大約是2到3:1）。

這就像是在一個(gè)田徑隊(duì)里，跑得最快的人，和跑得最慢的人之間的能力差距，被永遠(yuǎn)被定格了，而在比賽的過程中，前者還得一直照顧著后者，不能跑得太快。

如此一來，整個(gè)田徑隊(duì)（半導(dǎo)體）的實(shí)力，就被限制住了。

那石墨烯半導(dǎo)體帶來的改變是什么？很簡(jiǎn)單，石墨烯的電子遷移率和空穴遷移率是相等的！

石墨烯的電子遷移率和空穴遷移率通常都非常高，室溫下可以分別達(dá)到大約

左右。

電子和空穴遷移率相同，意味著它不會(huì)有一個(gè)“拖后腿”的隊(duì)友，從而可以將電子遷移率的速度發(fā)揮到極致，這是目前絕大部分半導(dǎo)體都不具備的特性。

而這樣的特性，也為開發(fā)新一代高速、高效電子器件提供了巨大的潛力。

02

帶隙之困

這種電子和空穴遷移率相同，且電子遷移率極高的特性，作用在AI芯片這樣的電子器件上，將產(chǎn)生兩大奇效，一個(gè)是“快”，再一個(gè)就是“省”。

具體來說，由于極高的電子遷移率，意味著電路的數(shù)據(jù)處理能力就更強(qiáng)，電子設(shè)備的性能也就更高。

對(duì)于AI訓(xùn)練來說，這意味著石墨烯芯片可以更快地完成訓(xùn)練，從而縮短訓(xùn)練時(shí)間。原本需要數(shù)月、數(shù)周的模型訓(xùn)練，之后可能只需要幾天，甚至更短。

除了“快”之外，石墨烯芯片的另一大優(yōu)勢(shì)，就是運(yùn)行時(shí)的低功耗特性。

因?yàn)殡娮釉诰w管中的運(yùn)動(dòng)速度越快，它們?cè)谕ㄟ^晶格缺陷、雜質(zhì)或其他障礙物（散射源）時(shí)的時(shí)間就越短，相應(yīng)的電阻和能量損耗也就越低。

這意味著，石墨烯芯片能夠在不顯著增加能源消耗的情況下，增加計(jì)算能力，從而支持更復(fù)雜的AI模型和更大的數(shù)據(jù)集。

但是，要想實(shí)現(xiàn)以上優(yōu)勢(shì)，石墨烯芯片還有一個(gè)重大的門檻需要跨越，那就是帶隙問題。

在半導(dǎo)體材料中，一般有兩個(gè)主要的能帶：價(jià)帶和導(dǎo)帶。帶隙就是指價(jià)帶頂部和導(dǎo)帶底部之間的能量差距。

在實(shí)際應(yīng)用中，通過調(diào)整半導(dǎo)體的化學(xué)成分（如摻雜）或物理?xiàng)l件（如溫度、壓力），可以改變帶隙的大小，從而改變材料的導(dǎo)電性質(zhì)。

如果我們將半導(dǎo)體中的電流比作河流，帶隙就像是一個(gè)可調(diào)節(jié)的水閘，我們可以打開或關(guān)閉水閘來控制水流。

當(dāng)我們打開水閘，水流（電子）就可以通過，半導(dǎo)體就進(jìn)入了導(dǎo)電狀態(tài)。反之則是截止?fàn)顟B(tài)。

可要命的是，石墨烯這種物質(zhì)，沒有帶隙……

至于原因，簡(jiǎn)單來說，就是石墨烯這種物質(zhì)的晶格很特殊，像是由一個(gè)個(gè)緊密排列的小球（碳原子）組成的蜂窩。

這個(gè)蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，像是一個(gè)個(gè)沒有門口阻隔，彼此互通的房間，讓電子（房間里的小球）可以隨意進(jìn)出，不需要跨過任何門檻（即沒有帶隙）。

這就意味著，人們很難像控制別的電路元件那樣，讓它導(dǎo)電就導(dǎo)電，讓它截止就截止，這也是石墨烯只能成為導(dǎo)體，而很難成為半導(dǎo)體的原因。

既然如此，那這個(gè)難題，后來是怎么被前面提到的天津大學(xué)與美國(guó)佐治亞理工學(xué)院解決的？

03

半導(dǎo)體新時(shí)代

其實(shí)，前面研究團(tuán)隊(duì)攻克帶隙問題的思路，本質(zhì)上并不復(fù)雜，既然石墨烯本身沒有帶隙，那就通過特定的辦法，讓它從別的物質(zhì)那里“借”來帶隙。

而在具體操作中，這個(gè)被選中的物質(zhì)，就是碳化硅（SiC）。這是因?yàn)樘蓟璞砻娼Y(jié)構(gòu)和石墨烯非常匹配

為了讓石墨烯從碳化硅上借來帶隙，研究者首先要讓其“長(zhǎng)”在碳化硅上面。

這就像在一張桌面上撒上上一些糖（碳原子）。并打算在上面制作一幅糖畫。

在石墨烯的生長(zhǎng)過程中，科學(xué)家們面臨的挑戰(zhàn)就是如何讓碳原子（糖）在碳化硅（桌面）上均勻地鋪開，形成一層高質(zhì)量的石墨烯（糖畫）。

為了解決這個(gè)問題，研究人員采用了一種特殊的方法，叫做準(zhǔn)平衡退火。通過精確控制溫度、時(shí)間和氣體流量，可以調(diào)節(jié)石墨烯的生長(zhǎng)速率和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。從而促進(jìn)石墨烯層的有序生長(zhǎng)，減少缺陷和雜質(zhì)。

這就像是在糖畫制作過程中，用一種特殊的技巧來讓糖膜更加均勻和平滑。

如此一來，這層石墨烯（糖畫）不僅平整，而且與碳化硅（桌面）完美對(duì)齊，之后，在SiC硅端面上，石墨烯層的電子狀態(tài)與SiC表面的電子狀態(tài)發(fā)生耦合，這種耦合導(dǎo)致了能帶的重新排列，從而在石墨烯中引入了帶隙。

這樣，一個(gè)真正具有半導(dǎo)體性質(zhì)的石墨烯就誕生了。

講真，這技術(shù)將來要是真的得到了普及，那等于是革了硅基半導(dǎo)體的命。

因?yàn)閺纳舷奚蟻碚f，當(dāng)前的硅基半導(dǎo)體，已經(jīng)快走到頭了。隨著晶體管尺寸接近原子級(jí)別，量子隧穿效應(yīng)和熱管理問題開始顯現(xiàn)，這限制了硅基晶體管的進(jìn)一步縮小和性能提升。

而石墨烯芯片，由于獨(dú)特二維結(jié)構(gòu)和材料特性，使其能夠以一種更加高效和穩(wěn)定的方式控制電子，從而在微觀尺度上減少了量子隧穿效應(yīng)的影響。

這樣的突破，對(duì)人類來說意味著什么？

想象一下，在某個(gè)巨大的數(shù)據(jù)中心里，成千上萬的服務(wù)器正在處理著海量數(shù)據(jù)。

盡管如此，整個(gè)數(shù)據(jù)中心卻異常安靜，沒有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心那種嘈雜的風(fēng)扇聲，因?yàn)槭┌雽?dǎo)體的高效散熱能力讓這些服務(wù)器幾乎不需要額外的冷卻系統(tǒng)。

再想象一下，你正在觀看一場(chǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）游戲，畫面流暢無比，沒有一絲延遲。

這是因?yàn)槭┌雽?dǎo)體的高電子遷移率，讓數(shù)據(jù)處理速度達(dá)到了前所未有的水平，使得VR設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)渲染出復(fù)雜細(xì)膩的虛擬世界，讓你仿佛置身其中。

可以說，石墨烯芯片的問世，相當(dāng)于是半導(dǎo)體領(lǐng)域的“萊特兄弟”時(shí)刻，這是人類追求AGI之路上必點(diǎn)的一個(gè)科技樹。

那么，既然如此，石墨烯芯片是否真能就此撼動(dòng)硅基芯片統(tǒng)治了幾十年的江山，并一舉實(shí)現(xiàn)彎道超車？

04

炒作or機(jī)遇？

講真，現(xiàn)在就指望石墨烯芯片一舉戰(zhàn)勝硅基芯片這個(gè)BOSS，還是樂觀了點(diǎn)。

原因很簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟度和制備成本在那擺著呢。

具體來說，別的半導(dǎo)體材料（比如硅），就像是一塊厚實(shí)的豆腐，有好多層原子，而且每層原子都緊緊挨著，但石墨烯就像是超級(jí)薄的保鮮膜，只有一層碳原子，這種結(jié)構(gòu)在半導(dǎo)體材料中相當(dāng)罕見。

通常情況下，只有當(dāng)石墨烯的原子層僅有一層時(shí)，它跑電子的速度最快，性能最好。

所以，科學(xué)家們得想方設(shè)法，保證每一片都是單層的，這樣才能發(fā)揮石墨烯的最大潛力。而這就必須要高精度的技術(shù)和工藝，比如特定的轉(zhuǎn)移或生長(zhǎng)技術(shù)。

在半導(dǎo)體材料制備過程中，凡是和“精細(xì)”相關(guān)的環(huán)節(jié)，成本都低不了。

就目前來說，制備石墨烯的主要途徑，是化學(xué)氣相沉積（CVD）法，這種方式，就好像是在高溫爐子里，用特殊金屬板烤出一張薄如蟬翼的“碳紙”，這個(gè)過程不僅得用昂貴的“烤箱”（CVD爐），還得用到各種催化劑（如銅或鎳等金屬）。

以上問題體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)中，就是制備起來昂貴，成品率低，難以大規(guī)模量產(chǎn)。

相較之下，硅的性質(zhì)就比較“聽話”。其晶體結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，長(zhǎng)得又直又均勻，你讓它怎么長(zhǎng)，它就怎么長(zhǎng)。因此人們很容易通過摻雜等工藝，來改變其電導(dǎo)性。

想用石墨烯這樣一種尚且難以穩(wěn)定量產(chǎn)的材料，去挑戰(zhàn)硅基芯片幾十年形成的產(chǎn)業(yè)鏈江山，就好像一個(gè)剛學(xué)會(huì)騎自行車的菜鳥，想要挑戰(zhàn)一個(gè)在F1賽道上馳騁的老司機(jī)，而且騎的還是輛搖搖晃晃的三輪童車。

那么，照這樣看來，這次石墨烯的突破，又是一場(chǎng)空歡喜的炒作了嗎？

其實(shí)也不盡然，畢竟任何一種材料，都能找到自己獨(dú)有的應(yīng)用突破口，換句話說，石墨烯的最終目標(biāo)，也許并不是完全替代硅，而是創(chuàng)造出自己的一條路。就像碳化硅和氮化鎵一樣。

具體來說，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）這些材料，在特定的應(yīng)用領(lǐng)域（如高頻、高功率電子器件）中展現(xiàn)出了比硅更好的性能。而石墨烯也可以在某些特定的領(lǐng)域，提供硅難以企及的差異化優(yōu)勢(shì)。

而這些特異的領(lǐng)域之一，就包括了現(xiàn)在各國(guó)都在投入重注的人工智能。

石墨烯的高電子遷移率的特點(diǎn)，使其在在制造高速、低功耗的晶體管方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。而人工智能、大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算這些智能時(shí)代的關(guān)鍵“命門”，恰好需要這樣的高性能計(jì)算能力。

考慮到AI在未來所具有的價(jià)值潛力，用高昂的制備成本，在特殊領(lǐng)域換來性能上的突破，以及產(chǎn)業(yè)上不被“卡脖子”的優(yōu)勢(shì)，似乎也不是完全不能接受的一個(gè)選項(xiàng)。

更重要的是，這種通過初期“大出血”投資前沿技術(shù)，取得特殊產(chǎn)業(yè)上的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而后續(xù)通過產(chǎn)業(yè)帶來的高價(jià)值效應(yīng)，打敗傳統(tǒng)技術(shù)的情況，在歷史上也不是沒有先例。

先發(fā)優(yōu)勢(shì)

如果要論目前和石墨烯芯片處境最接近的技術(shù)，那也許電動(dòng)汽車算是個(gè)可參考的“前車之鑒”。

從效益上來說，這是個(gè)誕生之初就面臨高成本、不穩(wěn)定和持續(xù)虧損的產(chǎn)業(yè)。

以電動(dòng)汽車為例，其核心技術(shù)，如電池技術(shù)、電機(jī)和電力電子系統(tǒng)，需要大量的研發(fā)投資來提高效率，以特斯拉為例，其在2008年推出的第一款量產(chǎn)電動(dòng)汽車Roadster，售價(jià)高達(dá)109,000美元，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)燃油車。

其中電池的成本約為每千瓦時(shí)（kWh）1,000美元。可后來，這一成本到2020年已經(jīng)降至137美元/kWh。

那其中的轉(zhuǎn)變是怎么發(fā)生的？

一個(gè)重要的原因，是在全球碳中和的背景下，能源轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為了一種國(guó)家戰(zhàn)略，于是各種政策和補(bǔ)貼都上來了。

例如，2009年，美國(guó)通過了“美國(guó)復(fù)蘇與再投資法案”（ARRA）資助了電動(dòng)汽車充電站的建設(shè)，總計(jì)投入約4.5億美元。一些州政府，如加利福尼亞州還提供了額外的購(gòu)車補(bǔ)貼。

同樣地，在中國(guó)方面，2014年，國(guó)內(nèi)購(gòu)買純電動(dòng)乘用車的補(bǔ)貼，最高可達(dá)11萬元人民幣。

這種以國(guó)家力量推動(dòng)技術(shù)轉(zhuǎn)型的策略，在今天的人工智能方面，也同樣適用。

AI教主黃仁勛，在前段時(shí)間迪拜舉行的世界政府峰會(huì)（WGS）上就宣稱：現(xiàn)在的AI已經(jīng)成為了一種國(guó)家主權(quán)。每個(gè)國(guó)家都需要擁有自己的人工智能基礎(chǔ)設(shè)施。你不能允許這件事由別人來做。

在老黃看來，AI大模型會(huì)在將來編纂一個(gè)國(guó)家的文化、社會(huì)智慧、常識(shí)、歷史。

在生產(chǎn)力層面受制于人，也許日后尚有反超的機(jī)會(huì)，但要在這些“軟實(shí)力”上被人拿捏，那將來就真的“國(guó)將不國(guó)”了。

即使不從這樣虛頭巴腦的因素考慮，AI for science目前在科研方面顯示出的不俗力量，也足以令各國(guó)政府為之押下重注。

有鑒于此，盡管當(dāng)下的石墨烯芯片，只是未來眾多取代硅基芯片方案中的一種（同樣的還有光子芯片、類腦芯片等等），但從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難度上來說，石墨烯已經(jīng)算是相對(duì)較小的一個(gè)了。

因?yàn)槠淇梢岳矛F(xiàn)有的半導(dǎo)體制造基礎(chǔ)設(shè)施，例如石墨烯可以在傳統(tǒng)的硅晶圓上生長(zhǎng)或者作為薄膜沉積

而光子芯片、類腦芯片和量子芯片這些選項(xiàng)，由于設(shè)計(jì)原理和制造工藝的不同，則需要全新的技術(shù)路徑和設(shè)備。

從產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼的角度來說，石墨烯芯片是一個(gè)更容易發(fā)力和出成果的方向。

而這樣的及時(shí)雨，對(duì)于中國(guó)這樣亟需在AI算力上實(shí)現(xiàn)自主的國(guó)家而言，無疑是最需要的。