當前，廣泛應用于全球眾多領域的芯片，長期由美國為首的少數(shù)西方國家壟斷和控制，美國不僅擁有全球一流的研制和設計人才，而且，壟斷了研發(fā)芯片材料的核心技術及生產(chǎn)設備，即使允許向國外出口低端生產(chǎn)和加工設備，其價格也十分昂貴。因此，作為像中國一樣的發(fā)展中國家，雖然花大價錢進口生產(chǎn)加工低端芯片的生產(chǎn)設備，但是，由于不掌握芯片材料的核心技術，只能長期步其后塵。

　　結束“中國芯痛”現(xiàn)狀唯一出路是：由國家協(xié)調(diào)聚集現(xiàn)有的經(jīng)驗和國際一流人才，整合國內(nèi)研發(fā)力量，加快研發(fā)第二代芯片材料和應用步伐，各級政府在政策上給予必要的政策扶持和資金投入。

　　芯片材料國產(chǎn)化道路艱難

　　據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，作為廣泛應用的半導體材料——硅芯片為單元素材料，屬于第一代芯片材料；而砷化鎵、磷化銦為合成元素材料，屬于第二代芯片材料。第二代芯片材料與第一代芯片材料相比，物理性能優(yōu)越，具有禁帶寬度大、電子遷移率高的特點。隨著高溫大功率電子器件和高頻微波器件材料迅速發(fā)展，第二代芯片材料需求量大增，戰(zhàn)略意義越來越重大。

　　目前，居全球壟斷地位發(fā)展成熟的芯片，均出自第一代芯片材料。但是同時，美國、德國、以色列、日本等國家也相當重視第二代芯片材料的研發(fā)，并將其作為戰(zhàn)略性儲備技術，多用于特種領域，對包括中國在內(nèi)的國家嚴格禁運。美國商務部2015年4月決定對中國4家機構限售“至強”芯片，就是其長期對中國禁運高端芯片材料政策的體現(xiàn)。

　　近年來，中國出臺一系列措施大力推動芯片材料國產(chǎn)化，特別是第二代化合物芯片技術的出現(xiàn)，為打破美歐在芯片材料領域的壟斷提供了契機。一些科研機構和企業(yè)合作，從第二代芯片材料研發(fā)起步，開始取得突破和進展，有的不僅研制出基于第二代芯片材料的芯片設計和生產(chǎn)技術，而且，開發(fā)出第二代芯片材料生產(chǎn)設備，擁有了自己的知識產(chǎn)權專利。

　　但是，技術方面的突破不等于產(chǎn)業(yè)方面的突破。信息產(chǎn)業(yè)人士周知，當前國內(nèi)外集成電路產(chǎn)業(yè)的一大嚴峻現(xiàn)狀是：“國際產(chǎn)能飽和，本土產(chǎn)能缺乏”。近幾年來，中國政府出臺眾多扶持政策，大力發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)，但芯片材料國產(chǎn)化道路依然艱難緩慢。

　　中國的有利因素在于，中國擁有全球最大、增長最快的集成電路市場，2013年規(guī)模達9166億元，占全球市場份額的50％。隨著經(jīng)濟發(fā)展方式的轉變、產(chǎn)業(yè)結構的加快調(diào)整，以及新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化同步發(fā)展，對集成電路需求將大幅增長。但劣勢也很明顯，多年來，中國芯片材料產(chǎn)業(yè)投資規(guī)模不足，2008年至2013年，中國集成電路行業(yè)固定資產(chǎn)投資總量僅400億美元（1美元約合6.32元人民幣）左右，而美國英特爾公司一家2013年投資就達130億美元。隨著中央和地方集成電路投資基金的成立，本土產(chǎn)業(yè)有望獲得重金支持，但是，由于實際情況并不樂觀，芯片材料國產(chǎn)化，特別是高端芯片材料國產(chǎn)化仍步履艱難和徘徊不前。對此，業(yè)內(nèi)人士不斷發(fā)出“中國芯痛”的感慨。

　　長期“沉淪”于第一代芯片

　　資料顯示，2013年，居全球芯片材料研發(fā)領域首位的美國高通公司營收益近250億美元，其中，近一半來自龐大的中國市場。中國雖然有號稱600家芯片設計公司，但是，芯片材料嚴重依賴進口，所有產(chǎn)品均屬于中低端產(chǎn)品，國內(nèi)年營收益超過10億美元的廠家寥寥無幾。據(jù)資料顯示，2013年，中國集成電路進口金額高達2313億美元，2014年2184億美元，多年來與石油一起位列最大兩宗進口商品。中國生產(chǎn)手機、計算機、彩電，由于主要以整機制造為主，以集成電路和軟件為核心的價值鏈核心環(huán)節(jié)缺失，致使行業(yè)平均利潤僅為4.5％，低于工業(yè)平均水平1.6個百分點。

　　2015年2月10日，中國國家發(fā)改委決定對美國高通公司進行反壟斷處罰，其罰款高達人民幣60.88億元，約合9.75億美元，同時，還公布了高通公司在中國實行壟斷的證據(jù)。美國高通公司之所以明目張膽地違反世貿(mào)規(guī)定，在中國實行行業(yè)壟斷措施，問題就在于中國沒有實現(xiàn)高端芯片材料國產(chǎn)化。

　　國家出于信息安全的考慮，將芯片材料國產(chǎn)化作為一項事關國計民生的重大戰(zhàn)略，建立了上千億元的基金資助，但是，發(fā)展國產(chǎn)芯片材料至今步履維艱，其中，根本原因在于，由于第一代芯片材料生產(chǎn)加工投資十分巨大，一條生產(chǎn)線就需要十億、幾十億、上百億美元，而且，只能引進發(fā)達國家的淘汰設備，因此，芯片材料國產(chǎn)化仍遙遙無期。此外，對生產(chǎn)企業(yè)來說，研發(fā)第二代芯片材料前期投入是天文數(shù)字，況且，有可能血本無回。因此，寧可高價進口第一代芯片材料，也不愿投入第二代芯片材料研發(fā)。而這狀況只能造成中國步發(fā)達國家后塵，難以找到新的出路。

　　有專家撰文說，在過去政策中，有關部門對集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，強調(diào)空白技術突破、國際專利申請，以及學術文章的發(fā)表，好像只要答辯一過、專利一申、文章一發(fā)，中國的集成電路產(chǎn)業(yè)就可打破外國的技術壟斷；其實恰恰相反，這些年來，中國的集成電路產(chǎn)業(yè)和國際先進水平的差距在不斷擴大。

　　美國不推新一代產(chǎn)品為暴利壟斷

　　長期以來，芯片材料研制和生產(chǎn)，不僅是衡量一個國家產(chǎn)業(yè)競爭力和綜合國力的重要標志，而且是掌握國家信息安全門戶的“鑰匙”。美國不僅壟斷了第一代芯片材料的研制和相關裝備制造技術，而且，早在5年前，便大力開發(fā)第二代芯片材料。然而，美國遲遲不推出新一代產(chǎn)品，利益考量有很多。

　　一是出于暴利壟斷需要。一片直徑八英寸的硅芯片材料，成本僅有100多美元，然而，一條硅芯片材料的生產(chǎn)線，卻要價10億美元以上，甚至100億美元天價，而一條第二代芯片材料生產(chǎn)線僅需要數(shù)億美元，顯然，美國普及新一代芯片材料技術將失去暴利壟斷地位。

　　二是出于成本回報需要。美國在國內(nèi)外建立了眾多生產(chǎn)廠家，不僅投入了眾多的設計和生產(chǎn)設備，而且，為培養(yǎng)相關的技術人才注入大量資金。如果推出新一代芯片材料，必須在設備和人才方面有新的投入，因此，美國延遲更新?lián)Q代為的是獲取更多利潤。

　　三是出于銷售淘汰落后設備需要。美國對生產(chǎn)高端芯片材料的設備采取壟斷措施，對于生產(chǎn)高端芯片材料的設備嚴格控制；但是，對中低端設備，特別是對進入淘汰期的設備則允許出口，包括中國在內(nèi)的發(fā)展中國家，不得不引進美國的芯片生產(chǎn)線，為此付出巨大代價。

　　四是出于對特種級芯片材料禁運需要。以美國為首的西方國家，一直對一些國家實行嚴格的特種級芯片材料禁運措施，絕不允許高端芯片材料技術流失。

　　2015年4月9日，美國商務部決定對以中國超級計算機“天河”為業(yè)務主機的三家超級計算中心和“天河”的研制者特種科大采取限售措施，限售的產(chǎn)品則直指已在“天河二號”上裝配近10萬的英特爾“至強”ＣＰＵ。據(jù)悉，中國超級計算機“天河二號”連續(xù)多年蟬聯(lián)世界第一超級計算機的桂冠。

　　業(yè)內(nèi)人士認為，超級計算機芯片由于長時間高負荷工作，每隔一段時間需要更換，因此美國的制裁對中國現(xiàn)有的“天河”系列超級計算機的正常運行可能會產(chǎn)生一定的影響。雖然這個制裁不難繞過（“天河二號”主任設計師盧宇彤曾透露，“限售令”的確會給“天河二號”升級計劃帶來一定的負面影響，但升級是一項復雜的系統(tǒng)工程，不可能將成敗完全系于ＣＰＵ——編注），但是，至少會增加中國維護現(xiàn)有超算系統(tǒng)的麻煩和成本。然而，美國發(fā)起的這場“貿(mào)易戰(zhàn)”并非只對中國產(chǎn)生影響，對生產(chǎn)“至強”芯片材料的英特爾公司而言，這意味著減少大量芯片材料的銷售額。同時，美國媒體有報道認為，今后令人關注的是，這一禁運只會刺激中國更多使用國產(chǎn)芯片來構建新型的超級計算機，屆時，這家美國企業(yè)將會被排除出中國這一領域的市場。美國政府指責中國采用“非市場”手段，將美國軟硬件巨頭排擠出中國核心領域市場，而他們現(xiàn)在此舉恰恰會加速這個進程。

　　二代芯片材料研制期待國家更多扶持

　　實踐證明，第二代芯片材料研發(fā)和生產(chǎn)需要資金雖然相當巨大，但是低于長期以來進口第一代芯片材料及生產(chǎn)設備所需的巨額資金，而聚集和造就一支具有國際先進水平的技術人才和研發(fā)隊伍與擴大第二代芯片的應用領域將成為關鍵，其中，研發(fā)軍民兩用的芯片材料可以成為突破口。

　　鮮為人知的是，中國相關機構研發(fā)第二代芯片并非沒有進展，近幾年來，有關科研部門和信息產(chǎn)業(yè)集團在第二代芯片材料研發(fā)上取得了歷史性突破。試驗結果表明，中國自行研發(fā)的第二代芯片材料，其性能和技術指標達到當今國際先進水平。之所以取得如此成績，是因為他們在總結芯片材料研發(fā)發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢的基礎上，將目標直接定在第二代芯片材料的研發(fā)上，即：在硅元素芯片材料的基礎上，從第二代的芯片材料設計和生產(chǎn)起步。如今，他們不僅掌握了屬于第二代芯片材料的芯片設計和生產(chǎn)技術，而且，成功開發(fā)出可以批量生產(chǎn)第二代芯片材料的先進設備。

　　據(jù)了解，中國研發(fā)的第二代芯片材料具有重大的經(jīng)濟價值，可廣泛應用于無線通信、無線互聯(lián)網(wǎng)、手機、物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、智能機器人等，幾乎涉及人類現(xiàn)代生活的各個領域，市場規(guī)模相當巨大。

　　業(yè)內(nèi)人士認為，打破以美國為首的西方國家芯片材料的壟斷，是一項事關一個國家國計民生的戰(zhàn)略舉措，希望國家對此制訂相應的長期發(fā)展計劃，整合全國所有研發(fā)第二代芯片材料的技術隊伍，以優(yōu)惠政策聚集世界一流的科技人才。

　　同時，他們希望，此前已經(jīng)建立的國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金和國家金融部門，對第二代芯片材料研發(fā)和批量生產(chǎn)給予政策的支持，如：合理改善進口芯片材料及生產(chǎn)加工設備已經(jīng)形成的利益鏈，重視對研發(fā)第二代芯片材料的投入等。建議國家將研發(fā)和生產(chǎn)第二代芯片材料列入“十三五”重大項目予以重點扶持，統(tǒng)籌全國科研力量，組建研發(fā)第二代芯片材料的國家團隊，其重要戰(zhàn)略意義絕不亞于當年的“兩彈一星”工程。

　　石墨烯芯片和硅芯片相比有什么特性和優(yōu)勢？

　　目前對石墨烯的展望有很多，從芯片到電池到燈泡，甚至說未來石墨烯芯片頻率可以達到300GHz。但對石墨烯芯片的特性和優(yōu)勢目前沒有一個系統(tǒng)的介紹，比如石墨烯芯片和硅芯片相比在電子遷移中是不是也有損耗發(fā)熱？到達極限工藝后石墨烯芯片是不是也會有量子隧穿效應？二維的石墨烯是如何做到硅晶體管的柵極開關的？另外拓撲絕緣體和石墨烯是什么關系？

　　石墨烯因其超薄結構以及優(yōu)異的物理特性,在FET應用上展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能和誘人的應用前景.如Obradovic等研究發(fā)現(xiàn)，與碳納米管相比，石墨烯FET擁有更低的工作電壓﹔Wang等所制備的柵寬10nm以下的石墨烯帶FET的開關比達10E7﹔Wu等采用熱蒸發(fā)4H-SiC外延生長的石墨烯制備的FET，其電子和空穴遷移率分別為5400和4400cm2/(V·s)，比傳統(tǒng)半導體材料如SiC和Si高很多﹔Lin等制備出柵長為350nm的高性能石墨烯FET，其載流子遷移率為2700cm2/(V·s)，截止頻率為50GHz，并在后續(xù)研究中進一步提高到100GHz﹔Liao等所制備的石墨烯FET的跨導達3.2mS/μm，并獲得了迄今為止最高的截止頻率300GHz，遠遠超過了相同柵長的Si-FET(~40GHz)。然而,由于石墨烯的本征能隙為零，并且在費米能級處其電導率不會像一般半導體一樣降為零，而是達到一個最小值，這對于制造晶體管是致命的，為石墨烯始終處于“開”的狀態(tài)。

　　另外，帶隙為零意味著無法制作邏輯電路，這成為石墨烯應用于晶體管等器件中的主要困難和挑戰(zhàn)。因此,如何實現(xiàn)石墨烯能帶的開啟與調(diào)控，亟待研究和解決。據(jù)文獻報道，一般采用兩種方法實現(xiàn)石墨烯能帶的開啟與調(diào)控，即﹕摻雜改性和形貌調(diào)控。NatureNanotechnology評論明確指出﹕要深入挖掘石墨烯的優(yōu)異物理特性，以制備高性能石墨烯FET，其重要基礎和關鍵之一是獲得寬度與厚度(即層數(shù))可控的高質(zhì)量石墨烯帶狀結構。帶狀石墨烯因其固有而獨特的狹長“扶椅”或“之”狀邊緣結構效應、量子限域效應而具有豐富的能帶結構，其能隙隨著石墨烯的寬度減小而增大，且和石墨烯的厚度密切相關，成為石墨烯FET溝道材料的理想選擇。

　　納米碳材料，特別是石墨烯具有極其優(yōu)異的電學、光學、磁學、熱學和力學性能，是理想的納電子和光電子材料。石墨烯具有特殊的幾何結構，使得費米面附近的電子態(tài)主要為擴展π態(tài)。由于沒有表面懸掛鍵，表面和納米碳結構的缺陷對擴展π態(tài)的散射幾乎不太影響電子在這些材料中的傳輸，室溫下電子和空穴在石墨烯中均具有極高的本征遷移率(大于100000cm2/(V?s))，超出最好的半導體材料(典型的硅場效應晶體管的電子遷移率為1000cm2/(V?s))。作為電子材料，石墨烯可以通過控制其結構得到金屬和半導體性管。在小偏壓的情況下，電子的能量不足以激發(fā)石墨烯中的光學聲子，但與石墨烯中的聲學聲子的相互作用又很弱，其平均自由程可長達數(shù)微米，使得載流子在典型的幾百納米長的石墨烯器件中呈現(xiàn)完美的彈道輸運特征。典型的金屬性石墨烯中電子的費米速度為υF=8×10E5m/s，室溫電阻率為ρ=10E6Ω-cm，性能優(yōu)于最好的金屬導體，例如其電導率超過銅。由于石墨烯結構中的C–C鍵是自然界中最強的化學鍵之一，不但具有極佳的導電性能，其熱導率也遠超已知的最好的熱導體，達到6000W/mK。此外石墨烯結構沒有金屬中的那種可以導致原子運動的低能缺陷或位錯，因而可以承受超過10E9A/cm2的電流，遠遠超過集成電路中銅互連線所能承受的10E6A/cm2的上限，是理想的納米尺度的導電材料。理論分析表明，基于石墨烯結構的電子器件可以有非常好的高頻響應，對于彈道輸運的晶體管其工作頻率有望超過THz,性能優(yōu)于所有已知的半導體材料。

　　現(xiàn)代信息技術的基石是集成電路芯片，而構成集成電路芯片的器件中約90%是源于硅基CMOS(complementarymetal-oxide-semiconductor)，互補金屬-氧化物-半導體)技術，而硅基CMOS技術的發(fā)展在2005年國際半導體技術路線圖(InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors,ITRS)宣布將在2020年達到其性能極限。原因在CMOS技術的核心是高性能電子(n-)型和空穴(p-)型場效應晶體管(fieldeffecttransistor,FET)的制備，以及將這兩種互補的場效應晶體管集成的技術。隨著晶體管尺度的縮小，器件加工的均勻性問題變得越來越嚴重，其中最為重要的是器件的加工精度和摻雜均勻性的問題。采用傳統(tǒng)的微電子加工技術，目前最好的加工精度約為5nm。隨著器件尺度的不斷縮小，對應的晶體管通道的物理長度僅為十幾納米，場效應晶體管源漏電極之間的載流子通道的長度的不確定性將不再可以忽略不計，所以半導體材料中的摻雜均勻性問題將是另一個難以克服的問題。

　　這個領域的主流方向一直是沿用硅基技術的思路，即通過摻雜，例如K摻雜來制備石墨烯n型器件，但結果都不盡如人意。其中主要的問題是石墨烯具有一個非常完美的結構，表面完全沒有懸掛鍵，一般不和雜質(zhì)原子成鍵，是自然的本征材料。采用與石墨烯結合較弱的K原子摻雜結果一是不穩(wěn)定，二是很難控制，不大可能滿足高性能集成電路的要求。2005年美國Intel公司Chau等人對納米電子學的發(fā)展狀況進行了總結,他們對石墨烯基器件的主要結論是:雖然其p型晶體管的性能遠優(yōu)于相應的硅基器件,但其n型石墨烯晶體管的性能則遠遜于相同尺寸的硅基器件。集成電路的發(fā)展要求性能匹配的p型和n型晶體管，n型碳石墨烯晶體管性能的落后嚴重制約了石墨烯電子學的發(fā)展,發(fā)展穩(wěn)定的高性能n型石墨烯器件成了2005年之后石墨烯CMOS電路研究領域最重要的課題之一。

　　從目前石墨烯電子學已經(jīng)取得的進展來看，至少有兩個重要的方面是可以確認的。

　　第一是石墨烯器件相對于硅基器件來說具有更好的特性，無論是速度、功耗還是可縮減性，而且可以被推進到8nm甚至5nm技術節(jié)點，這正是2020年之后數(shù)字電路的目標。

　　第二是石墨烯的數(shù)字集成電路的方案是可行的。在實驗室人們已經(jīng)實現(xiàn)各種功能的電路，原則上已經(jīng)可以制備任意復雜的集成電路，特別是2013年9月26日美國斯坦福大學的研究人員在《Natures》雜志上報道采用碳納米管制造出由178個晶體管組成的計算機原型。雖然目前這個原型機尚在功耗、速度方面不能和基于硅芯片模式的先進計算機比肩，但這項工作在國際上引起了巨大反響,使得人們看到了碳基電子學時代初露的曙光。IBM發(fā)表的系統(tǒng)計算表明，石墨烯基的芯片不論在性能和功耗方面都將比硅基芯片有大幅改善。例如，從硅基7nm到5nm技術，芯片速度大約有20%的增加。但石墨烯7nm技術較硅基7nm技術速度的提高高達300%，相當15代硅基技術的改善。

　　目前石墨烯材料的主要挑戰(zhàn)來源于規(guī)模生產(chǎn)面臨的高可控性材料加工問題，即必須在絕緣襯底上定位生長出所需管徑大小的半導體石墨烯。但是到目前為止，對石墨烯生長進行嚴格的控制還是沒有實現(xiàn)。另一個問題是供應鏈的問題，硅的成本及穩(wěn)定性的優(yōu)勢還在，芯片廠及封裝廠誰愿意開第一槍，就讓我們拭目以待。