可使芯片提速百萬倍 石墨烯技術或改變芯片行業

近日，MIT（麻省理工學院）的研究員發現，石墨烯技術可使芯片的速率提升百萬倍。前MIT博士Ido Kaminer表示，這項技術在轉移和存儲數據的過程中，可使芯片的計算能力提升至一個極高的水平。

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。隨著石墨烯技術的逐漸發展，芯片行業也面臨著一場革新。許多研究人員都希望將石墨烯技術應用于芯片，許多企業也在投資研發此項技術。

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

一、石墨烯技術優點頗多，未來或成芯片主要材料

石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料，它的厚度只相當于一個碳原子。可以說，石墨烯是世界上最薄卻最堅硬的材料，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品。還能減少噪音，進行電子基因測序等。

此次MIT認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的研究人員發現，石墨烯的特性可以使光的速率降低，從而產生密集的光束。由于這種現象和飛機超越音速時產生的“音爆”相似，故而被稱為“光爆”。

在光爆過程中，當運動的速度因為快于光而受到局限時，石墨烯中的電子會釋放出“等離子體激元”，這一現象能夠為超薄計算機設備的光基電路的研制打基礎。

眾所周知，傳統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，結構是單層的，它們之間靠線來連接。這樣的芯片在傳輸數據流大、距離遠的數據時，往往會耗費較多的資源，而且時常發生堵塞。

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，傳導性極佳。因此能夠做到快速傳輸數據，提升芯片速率。

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

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

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到硅的10倍以上，在實驗室環境下則可以達到100倍，同時飽和速度可達硅的5倍。由于石墨烯良好的導熱性，理論上能夠使芯片主頻達到300GHz，并且功耗低于硅基芯片。

對于石墨烯技術作用于芯片的研究，目前至少能夠確定兩點。

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。石墨烯技術可以被推進到8nm甚至5nm 的技術節點，這恰好是2020年之后的數字電路目標。

第二，石墨烯應用于芯片的方案切實可行。在實驗室中，許多研究人員已經研制出了此方面的技術，投入實踐也是指日可待。

事實上，石墨烯技術目前也受到了各方的重視。

二、石墨烯技術受到各方青睞，或改變芯片行業現狀

由于石墨烯技術具有諸多優勢，眾多科技企業已經開始對其進行了芯片應用方面的研發。

IBM一直是硬件領域中的巨頭，然而近年來，整個硬件行業的形勢下滑，創新成為重點。故而IBM也不斷嘗試著新技術，以期扭轉硬件行業式微帶來的不利局面，而創新的重點，就在于石墨烯技術。

IBM的主要計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，IBM投資了30億美元，嘗試對芯片進行革新，實現硬件業務的復蘇。

The Envisioneering Group的研究主管Richard Doherty認為，許多流過硅芯片的電力都轉化成了熱量，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，他們會針對這一領域進行更多的研究。

此外，華為也在英國進行了石墨烯的投資。作為國產手機廠商中為數不多的擁有自己芯片的企業，石墨烯技術必將成為其重點研發的對象。對此，華為高級副總裁陳黎芳表示：“我們在石墨烯領域的合作，將為未來信息通信行業發展、構建更美好的全聯接世界，提供至關重要的基礎性支撐。”

在我國，石墨烯技術也同樣受到了重視。幾個月之前，發改委、工信部和科技部三部委印發了《關于加快石墨烯產業創新發展的若干意見》，旨在引導石墨烯產業的創新、培育石墨烯行業進一步壯大，最終帶動材料產業的革新。

我國之所以如此重視石墨烯技術，是因為其極高的載流子速度、有限的散射、優異的等比縮小特性，使其成為電子器件和集成電路的首選材料。除了芯片行業之外，石墨烯技術還能夠在光纖通信、傳感器制造、5G通信等重要領域中得以應用。

不過，石墨烯技術也存在著一些局限性。

第一，石墨烯的成本極高。

石墨烯的最高價格達到了5000元/克，在業內有“黑金”之稱。因此，一般的企業在資金方面無法進行研發，這也是為何石墨烯技術的玩家基本上都是三星、IBM、英特爾等巨頭的重要原因。

第二，石墨烯技術存在局限性。

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

第三，無法實現大規模應用。

由于成本極高和技術上的局限性，石墨烯的生產仍處于實驗研究階段，并未在商業用途方面實現大規模量產。與之相比，硅基材料在成本和穩定性方面仍存在優勢。

其實，將二者結合也是一個不錯的選擇。此前，哥倫比亞大學曾研發出一款石墨烯-硅光電混合芯片。應用物理學教授Philip Kim認為，這兩種材料的結合具備了超快的非線性光學調制性能，這將為芯片、集成電路、高速光通信等領域打開新的大門。

隨著移動端的發展，PC端逐漸沒落。如果能夠開發出速度更快的芯片，將使更快的計算能力變為現實。這不僅能夠推動芯片行業的進步，還能夠推動人工智能和認知計算的發展。盡管目前石墨烯技術仍存在短板，但是在未來，這項技術或許會為芯片及相關行業帶來一場革命性的改變。