01

石墨烯的突圍

面對人才,、資源和技術(shù)“總動員”式的競爭,，中國半導體的發(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,，天津大學與美國佐治亞理工學院合作,，在碳化硅上首次用石墨烯合成一種功能半導體。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。有的人甚至評價道,，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，它不僅運行速度極快,，而且電池續(xù)航時間驚人,，即使連續(xù)玩幾個小時的游戲或觀看視頻，手機也不會發(fā)熱到燙手,。

這是因為手機內(nèi)部的芯片不再是傳統(tǒng)的硅基半導體,，而是采用了石墨烯半導體技術(shù)。

為什么石墨烯與半導體的結(jié)合這么厲害,？

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

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

所謂電子遷移率,，簡單來說,，就是電子在半導體材料中移動的速度,。

如果電子就像是一群在賽道上奔跑的運動員，電子遷移率就是這些運動員在給定時間內(nèi)能跑多遠的能力,。

電子遷移率高,，意味著電子跑得快，這樣在同樣的時間內(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,。

因為在半導體中，除了電子遷移率,，還有一個叫做空穴遷移率的東西,。

對硅這種材料來說，如果電子遷移率太高,，高出空穴遷移率太多,，就會導致電路的整體性能不均衡，影響電路的響應速度和效率,。

這就像兩位運動員需要在不同的階段接棒,，共同完成整個比賽。A運動員（電子）跑得快,，而B運動員（空穴）跑得慢,，那么在接力棒交接的時候就會出現(xiàn)問題。

所以,，在將硅作為半導體時,，人們往往會通過摻雜，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，仍很難突破一個固定的比例（大約是2到3:1）,。

這就像是在一個田徑隊里,，跑得最快的人,，和跑得最慢的人之間的能力差距，被永遠被定格了,，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,，整個田徑隊（半導體）的實力，就被限制住了,。

那石墨烯半導體帶來的改變是什么,？很簡單，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,，室溫下可以分別達到大約

左右。

電子和空穴遷移率相同,，意味著它不會有一個“拖后腿”的隊友，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，一個是“快”,，再一個就是“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,，電子設(shè)備的性能也就更高。

對于AI訓練來說,，這意味著石墨烯芯片可以更快地完成訓練,，從而縮短訓練時間。原本需要數(shù)月,、數(shù)周的模型訓練,，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,，就是運行時的低功耗特性。

因為電子在晶體管中的運動速度越快,，它們在通過晶格缺陷,、雜質(zhì)或其他障礙物（散射源）時的時間就越短，相應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，增加計算能力,，從而支持更復雜的AI模型和更大的數(shù)據(jù)集,。

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

在半導體材料中,，一般有兩個主要的能帶：價帶和導帶,。帶隙就是指價帶頂部和導帶底部之間的能量差距。

在實際應用中,，通過調(diào)整半導體的化學成分（如摻雜）或物理條件（如溫度,、壓力），可以改變帶隙的大小,，從而改變材料的導電性質(zhì),。

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

當我們打開水閘，水流（電子）就可以通過,，半導體就進入了導電狀態(tài),。反之則是截止狀態(tài)。

可要命的是,，石墨烯這種物質(zhì),，沒有帶隙……

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

這個蜂窩狀的結(jié)構(gòu),，像是一個個沒有門口阻隔,，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，讓它導電就導電,，讓它截止就截止,，這也是石墨烯只能成為導體，而很難成為半導體的原因,。

既然如此,，那這個難題，后來是怎么被前面提到的天津大學與美國佐治亞理工學院解決的,？

03

半導體新時代

其實,，前面研究團隊攻克帶隙問題的思路，本質(zhì)上并不復雜,，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,，這個被選中的物質(zhì)，就是碳化硅（SiC）,。這是因為碳化硅表面結(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”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。

在石墨烯的生長過程中,，科學家們面臨的挑戰(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）。

為了解決這個問題,，研究人員采用了一種特殊的方法,，叫做準平衡退火。通過精確控制溫度,、時間和氣體流量,，可以調(diào)節(jié)石墨烯的生長速率和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。從而促進石墨烯層的有序生長,，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，一個真正具有半導體性質(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體的命,。

因為從上限上來說,，當前的硅基半導體，已經(jīng)快走到頭了,。隨著晶體管尺寸接近原子級別,，量子隧穿效應和熱管理問題開始顯現(xiàn)，這限制了硅基晶體管的進一步縮小和性能提升,。

而石墨烯芯片,，由于獨特二維結(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的影響,。

這樣的突破，對人類來說意味著什么,？

想象一下,，在某個巨大的數(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)中心那種嘈雜的風扇聲,，因為石墨烯半導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，你正在觀看一場虛擬現(xiàn)實（VR）游戲,，畫面流暢無比,，沒有一絲延遲。

這是因為石墨烯半導體的高電子遷移率,，讓數(shù)據(jù)處理速度達到了前所未有的水平,，使得VR設(shè)備能夠?qū)崟r渲染出復雜細膩的虛擬世界，讓你仿佛置身其中,。

可以說,，石墨烯芯片的問世，相當于是半導體領(lǐng)域的“萊特兄弟”時刻，這是人類追求AGI之路上必點的一個科技樹,。

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

04

炒作or機遇？

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

原因很簡單,，技術(shù)成熟度和制備成本在那擺著呢,。

具體來說，別的半導體材料（比如硅）,，就像是一塊厚實的豆腐,，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薄的保鮮膜,，只有一層碳原子，這種結(jié)構(gòu)在半導體材料中相當罕見,。

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

所以，科學家們得想方設(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)移或生長技術(shù),。

在半導體材料制備過程中,，凡是和“精細”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,，長得又直又均勻，你讓它怎么長,，它就怎么長,。因此人們很容易通過摻雜等工藝，來改變其電導性,。

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，就好像一個剛學會騎自行車的菜鳥,，想要挑戰(zhàn)一個在F1賽道上馳騁的老司機,，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，又是一場空歡喜的炒作了嗎,？

其實也不盡然,，畢竟任何一種材料，都能找到自己獨有的應用突破口,，換句話說,，石墨烯的最終目標，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。

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

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

考慮到AI在未來所具有的價值潛力,，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,，似乎也不是完全不能接受的一個選項。

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，進而后續(xù)通過產(chǎn)業(yè)帶來的高價值效應,，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

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

從效益上來說，這是個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),。

以電動汽車為例，其核心技術(shù),，如電池技術(shù),、電機和電力電子系統(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)電動汽車Roadster，售價高達109,000美元,，遠高于傳統(tǒng)燃油車,。

其中電池的成本約為每千瓦時（kWh）1,000美元?？珊髞?，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)成為了一種國家戰(zhàn)略,，于是各種政策和補貼都上來了,。

例如，2009年,，美國通過了“美國復蘇與再投資法案”（ARRA）資助了電動汽車充電站的建設(shè),，總計投入約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車補貼,。

同樣地，在中國方面,，2014年,，國內(nèi)購買純電動乘用車的補貼，最高可達11萬元人民幣,。

這種以國家力量推動技術(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,，在前段時間迪拜舉行的世界政府峰會（WGS）上就宣稱：現(xiàn)在的AI已經(jīng)成為了一種國家主權(quán)。每個國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大模型會在將來編纂一個國家的文化,、社會智慧,、常識、歷史,。

在生產(chǎn)力層面受制于人,，也許日后尚有反超的機會，但要在這些“軟實力”上被人拿捏,，那將來就真的“國將不國”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,，也足以令各國政府為之押下重注,。

有鑒于此，盡管當下的石墨烯芯片,，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)實現(xiàn)的難度上來說,，石墨烯已經(jīng)算是相對較小的一個了,。

因為其可以利用現(xiàn)有的半導體制造基礎(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,，由于設(shè)計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)補貼的角度來說,，石墨烯芯片是一個更容易發(fā)力和出成果的方向,。

而這樣的及時雨，對于中國這樣亟需在AI算力上實現(xiàn)自主的國家而言,，無疑是最需要的,。