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半個多世紀以來，硅半導體行業一直在大步前進，壓路機般碾過溝坎，公然藐視“燃料將耗盡”“將被競爭者取代”的一再警告。●可以理解，技術人員們不太愿意去預測硅時代的結束。但我們必須作出推測。在過去幾十年中，隨著硅晶體管物理尺寸的不斷縮小，計算機芯片的效率和速度逐步改善，現在開關的微型化對性能改進的作用已不明顯。壓路機還在前進，但速度已經放緩，而且維護與保養很快也將無法維持。●研究人員們正在尋求多種方案，以確保集成電子工業保持指數級的發展速度。一種可能的方法就是放棄改善硅晶體管，轉為改變計算機的體系結構或設計。這一策略曾取得一定成功，例如，由單核處理器轉為多核處理器，在系統中集成專用的加速器等等。但可利用的設計技巧有限，而且其中有很多已經用過了。因此，未來的發展仍必須依靠改進底層開關。改變材料和器件尺寸可以制造優于現有硅晶體管電子特性的晶體管。但這種改進方法的收益很小。為了獲得更大的進步，只剩下一個選擇：完全采用新的納米技術取代硅。 

候選方案有很多種，但到目前為止最令人振奮、最成熟的競爭者是單壁碳納米管，它是由碳原子連接構成的卷曲片狀材料。如果你有似曾相識的感覺，并不奇怪。20世紀90年代，業界對碳納米管產生了極大的熱情，一些大牌的半導體公司開始進行相關研究。但研究人員們在電路制造方面遇到了當時似乎難以克服的困難，對碳納米管的熱情逐漸冷卻下來。2004年首次公布石墨烯（平面結構的碳原子晶體）電子特性的測量結果，許多人都急于放棄碳納米管，而采用這種新技術。

現在碳納米管又重新回到人們視線中，而且比以往更好用了。與大肆炒作的二維同類產品不同，碳納米管是天然的半導體，這意味著它可以通過打開和關閉實現二進制開關。最近的材料研究展示已遠遠超出了邏輯門的演示。例如，2013年，我們在斯坦福大學的研究小組完全依靠碳納米管電路創建了首款完整的數字系統——一臺具有基本功能的計算機。而令人興奮的是，這臺計算機的制造和設計工藝可無縫集成到今天的半導體制造設施中，并可用于制造由數十億晶體管組成的芯片，能與當前先進的硅進行競爭。

碳納米管不僅可以強化傳統芯片的功能，還可以用于創建全新的計算系統。超速高效三維芯片系統可被用于數據中心，汽車、智能手機等各類移動計算機，或物聯網中的傳感器。這類3D系統可以結合碳納米管和新興存儲技術，也可在傳統硅電路上直接構建。因此，雖然碳納米管有可能最終超越硅，但二者也可以共同發展。無論哪種情況，計算能力的巨大進步都將對我們的生活產生深刻影響。 

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碳納米管被發現的確切時間很難確定。但很多人以物理學家飯島澄男發表于1991年的一篇里程碑式的論文為準，他在充氣容器中的一個電極上生成了“石墨探針”。飯島的研究引起了業界的廣泛興趣，很快電氣工程師們開始認為碳納米管可能會是理想的晶體管技術。

要構建晶體管，需要幾個要素：源極和漏極，即電流的起點和終點；兩極之間電流流動的通道；通道附近可以控制電流流動的柵極。半導體器件物理結構非常復雜，尤其是今天的納米級開關，但一般來說，晶體管的性能由兩個基本屬性決定。首先，溝道流過的電流越大，電路速度越快。這是因為如果電流較大，那么電路中下一個器件的柵極充電速度就會更快。其次，通道越細，器件越節能，因為柵極更容易控制晶體管的開關。如果把通道比作水管，柵極比作你的腳，那么水管越細，阻止水流出來也就越容易。

但可惜，對于今天的超小型硅器件來說，這兩個因素（通道的粗細和電荷的流速）存在矛盾。像其他三維塊體材料一樣，硅越薄，晶體的兩側和邊緣對其電特性的影響越強。這種所謂的表面效應會阻礙電荷通過上述材料。

但碳納米管自身同時滿足了晶體管通道這兩方面的要求。納米管壁光滑，本身沒有懸空鍵，電荷流速很快，比硅快很多倍。而且由于碳納米管也非常細（直徑大約1納米左右），柵極可輕易控制其中的電流。

碳納米管晶體管看上去與硅晶體管大致相同。主要區別在于通道材料是碳納米管，而不是硅。就像硅晶體管一樣，柵極產生的電場控制電流；又像硅芯片一樣，可利用芯片附加層中內置的微金屬導線連接碳納米管晶體管形成電路。

1998年，荷蘭代爾夫特理工大學和IBM的兩個獨立研究小組宣布首次制造出碳納米管場效應晶體管（CNFET）。在隨后的幾年中，研究人員們設計了一系列實驗來研究這些器件的基本物理特性。他們也開始構建基本電路；2006年取得顯著突破，IBM研究小組利用一根18微米長的碳納米管構建了12個CNFET，制成環形振蕩器（重要的邏輯演示電路）。

取得的成就雖然舉世矚目，但由單一碳納米管創建的小型測試電路與最先進的硅芯片之間尚有很大差距。為了制造芯片，研究人員要找到一種利用大量碳納米管構建數以億計晶體管的方法。對于高性能電路的一些要求很早就被提出。為了驅動足夠的電荷與硅電路的速度一較高下，每個晶體管溝道需要包含多個密集碳納米管。此外，這些密集碳納米管的間隔應均勻，減少晶體管之間的電特性變化。

要達到這一密度和一致性水平，可在緊密排列的碳納米管整齊的陣列上創建晶體管的源極、漏極和柵極。但可以想象，在硅襯底上整齊排列數十億相同的卷曲式碳片并不容易。

問題首先是碳納米管的合成。生成碳納米管的過程幾乎不可避免地會產生具有不同直徑和原子排列方式的納米管。底層原子結構的變化會產生具有不同電特性的碳納米管。有些具有半導體特性，而另一些具有金屬特性。半導體性碳納米管適用于數字邏輯，正是我們想要的，而柵極無法關閉金屬性碳納米管，因此基本上只能作為導線。所以，即使在應關閉晶體管的情況下，金屬性的碳納米管也總是會傳導電流，浪費功率，并會導致邏輯操作錯誤。

更糟糕的是，很難在表面上實現完全平整的碳納米管陣列。如果其中一些碳納米管方向雜亂，可能會超出自身晶體管溝道的局限，形成隨機電路連接。在不同的點，納米管的密度也不相同，會導致晶體管的載流能力差異很大。而一些晶體管溝道中很可能沒有碳納米管，從而導致器件失效。 

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2004年，斯坦福大學的兩位教授（即本文作者Subhasish Mitra和黃漢森）帶領一群學生和博士后開始著手解決這些問題。本文另一位作者（Max Shulaker）從2009年開始作為一名本科生加入該組工作，他很快將到麻省理工學院任教。我們開展工作時，碳納米管的研究領域已大大萎縮。但是，我們希望與其他規模小但具有創新精神的研究團隊一道，找到將納米材料從實驗室的研究物轉變成芯片材料的方法。

首先，我們側重于解決前面提到的高性能電路的兩個主要障礙：碳納米管排列不整齊以及金屬納米管的問題。第一步是要找到生成排列盡可能一致的碳納米管的方法。受到伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校和南加州大學所開展工作的啟發，我們選定的方法是在結晶石英襯底上生成碳納米管。

當被富碳氣體包圍時，石英晶片表面粘附的金屬納米粒子會以完美有序的方式生成平行的碳納米管。而后通過在碳納米管涂上金屬薄層，可將碳納米管轉移到傳統的芯片基板（硅上面的絕緣二氧化硅層）上。金屬在這里充當粘合劑，而后可以將其從石英上剝離，并轉移到硅上。然后用化學方法將金屬層蝕刻掉，留下排布精密的碳納米管陣列。（企業已利用類似的轉移工藝來制造傳統芯片的絕緣硅晶片。）

但我們發現，即使有石英作為導引物，仍有較小比例的碳納米管（約0.5%）無法正常生成。它們最開始是沿直線生成，不料會出現偏轉，最后成為斜線。為了解決納米管不一致問題，我們想出了有效設計碳納米管周圍電路的辦法。基于圖論的自動化設計算法能夠決定應蝕刻掉電路的哪些部分，因此從數學上講不會有異位的納米管連接到不應連接的兩個電極。這種處理可以確保不一致的碳納米管不會造成邏輯錯誤的短路。重要的是，這個過程無須了解異位碳納米管的確切位置，相同的設計適用于任何啟動配置。如果沒有這種策略，我們就需要檢查每個晶片和每個碳納米管，以找到異位納米管，這個過程不現實，而且代價很高。

我們發現，可以結合類似的處理和設計來解決金屬納米管問題。2001年，IBM研究小組發現，如施加足夠的電壓，就可通過焚燒來消除金屬碳納米管。我們采用了這種技術，通過建立臨時線路，有效地把整個芯片變為一個巨型的晶體管，同時在整個集成電路上進行操作。電路創建后，我們在晶體管的柵極施加了一個電壓，關閉所有半導體碳納米管。然后在每個源區和漏區施加一個電壓。因為半導體碳納米管已經關閉，只有溝道中的金屬納米管可以導電。如有足夠強的電壓脈沖，即便這些金屬納米管的電阻很低，也會產生燒壞納米管的瞬間熱量，將其轉變為少量的二氧化碳。今天，我們使用了這種方法的一種變型，可以將一根金屬性納米管全部消除，并且對所有金屬性納米管的消除率高達99.99%。在這個過程中，也會犧牲一小部分半導體碳納米管，但在可控的范圍內（不到1%）。

因解決了雜亂碳納米管及金屬性納米管的問題，所以只需實用化、規?；纳a方式就可利用碳納米管構建出第一批數字系統（我們將這種加工和設計的結合稱為“零缺陷范式”）。首次驗證這一系統的是薩沙（Sacha），它是我們于2013年在舊金山召開的IEEE國際固態電路會議上展示的一款握手機器人。當機器人的手被抓住時，碳納米管子系統會感知到嵌入式電容傳感器數值的變化，并觸發機器人握手。雖然不可否認這個演示有些簡單，但薩沙的確說明了很重要的一點：CNFET已經達到成熟水平，可以進行系統級的現場示范。

為了充分說明碳納米管電路的可行性，我們還創建了一個完整的數字系統：首臺完全依靠CNFET制造的計算機處理器。處理器僅由178個包含3萬多個碳納米管的CNFET制造而成，這按照現代標準來說并不多。該系統使用1位結構，時鐘頻率為1千赫，不到現在CPU時鐘速度的百萬分之一。但我們沒有進行速度優化，芯片之所以慢，部分原因是我們在每個節點都安裝了探測器，以監控計算機內部每一次可能的轉換。盡管如此，這臺處理器仍是完整的計算機；它可以執行多項任務，模擬商業MIPS指令集的指令。更重要的是，它表明CNFET可用來創建任何類型的數字系統，是今天不斷涌現的納米技術的成功先例。 

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當然，僅靠整合不可能產生什么尖端技術。CNFET電路的性能仍遠落后于硅。其中核心挑戰就是碳納米管的密度問題。2013年我們宣布制造出碳納米管計算機時，能夠在晶體管溝道的垂直線上生成線性密度為每微米1至10個碳毫微管的碳納米管陣列。為了確保高性能CNFET具備充分的載流能力，需要將以上數值提高10至100倍，還需要確保每個點的密度都是統一的，以便將晶體管偏差保持在最低的水平。

2014年，我們宣布開發了一種能夠同時應對這些挑戰的新技術。該方法基于之前將碳納米管從石英襯底移到芯片基板上的策略。我們發現，這種方法可反復使用，將一個碳納米管陣列層疊到另一個陣列上。因為通常情況下，稀疏的均勻陣列更容易實現，利用這種多次轉移方法也可將密度問題與均勻度問題分解開來。也就是說，可以制備多個稀疏陣列，然后進行層疊，從而提高密度。

不同于其他潛在的納米電子器件，我們用這種方法制成的CNFET的載流能力差不多與同等大小的硅晶體管持平。這對碳納米技術而言是史無前例的性能，預計CNFET將有更大的提升空間。

我們的方法并不是制造碳納米管電路的唯一方法。例如，IBM等幾家公司的研究團隊研究了在溶液中保持懸浮狀態的半導體和金屬納米管。金屬納米管被分離并除去。然后剩余碳納米管可以按照特定位置和方向，落在刻有圖案的基底上進行干燥。研究人員們仍在努力減少殘留的金屬納米管，提高半導體納米管的密度，這種方法前景非常樂觀。

盡管取得了上述進步，但在涉及碳納米管計算時，我們還是遭到了質疑。其中一個經常被提及的問題是可否創建互補邏輯。今天的處理器使用CMOS半導體技術，其中文名稱為“互補金屬氧化物半導體”，“互補”是指它采用兩種不同類型的晶體管：攜帶電子的n型晶體管和使用空穴（沒有電子的正電荷）的p型晶體管。使用兩種類型有許多優點，但多年來研究人員們基本上只研究p型碳納米管晶體管。這是因為首個CNFET是p型晶體管，所用的材料處理起來更容易。的確，我們的碳納米管計算機完全由p型CNFET制造。

但碳納米管本質上沒有什么類型之別，完全可以將其摻雜起來以承載任何一種電荷載子。這種摻雜可通過選擇柵極與溝道之間或晶體管金屬源極與漏區之間的絕緣層材料實現，而不是像硅材料那樣在材料中插入其他類型的原子。在“源”和“漏”的情況下，這些材料基本上充當過濾器，使電子或空穴進入碳納米管溝道。許多研究小組（包括我們的研究小組）都采用這些方法來創建n型和p型CNFET。此外，我們已經證明，這兩種類型器件的性能不相上下，這是設計電路時需要著重考慮的一個因素。

另一個問題是碳納米管與金屬源極和漏極觸點之間的電連接。如果這些電連接不完美，那么電阻就較高，能耗高，計算緩慢。但隨著晶體管的尺寸變得越來越小，這會成為困擾所有晶體管的問題。很難根據原子尺度對材料進行配對。所幸對于碳納米管晶體管而言，要實現高性能的CNFET電路并不需要非常完美的電接觸。此外，IBM最近的研究表明，可以通過熔合兩種材料，形成從碳到金屬的近無縫過渡，使碳納米管與其金屬觸點之間的連接有較大改進。

如果希望這些芯片能夠與硅一較高下，必須把所有這些碳納米管器件的制造方式結合起來，包括摻雜和觸點結構制備。進一步降低變異性也要優先解決，因為限制芯片性能的不是其中最好的晶體管，而是最差的晶體管。這些都是巨大的挑戰，但一旦克服這些挑戰也會帶來巨大的回報。根據實驗數據校準的模型顯示，即使會有變異和其他缺陷，用碳納米管制造的微處理器的能量-延時積（EDP，一種電路速度和能源效率的衡量標準）也是硅電路的10倍。隨著晶體管體積不斷縮小，其優勢會更加明顯，因為硅設備會在碳納米管器件之前達到尺寸極限。

碳納米管還有其他優點。芯片設計的一個新興領域是3D單片集成，形成直接在彼此上堆疊、通過大量的超細垂直導線相連的高層電路。

之所以形成這種結構是有原因的。當今的計算機花費大量的時間和能量在處理器內以及處理器與片外存儲器之間的幾毫米或幾厘米的空間中傳送數據?，F在可以通過制造單獨的2D硅芯片，然后將其堆疊捆綁在一起，創建結合邏輯和內存的3D芯片。各層通過非常大而稀疏的垂直導線連接。如果3D結構的連接密集，就會突破現在邏輯與內存之間存在的障礙，這對處理大量數據的應用程序將大有裨益。

這種單片3D集成在硅中很難實現；制造晶體管的溫度通常很高，可能會使金屬導線熔化，破壞下面的晶體管。但利用前面描述的碳納米管轉移技術，就可在不破壞底層電路的溫度下創建電路。這是因為這種方法基本上可以將材料的高溫生成階段（約900攝氏度）與其余的電路制造工藝步驟分離開來。這不是推測；我們已經展示了幾款可操作的CNFET單片3D集成電路。這項工藝可與硅兼容，甚至可以用來在硅晶體管的基礎上添加碳納米管器件層。

預測顯示，在3D系統中結合碳納米管晶體管和新興存儲設備所產生的能源效率可能會比帶有片外存儲器的傳統硅芯片高100到1000倍（這個估計假定兩種芯片的特征尺寸相近）。

當然，隨著碳納米管研究不斷推進，其他研究也會研制出更好的晶體管。例如有一種較新的方法，負電容FET，它利用柵極與溝道之間的材料來提高柵極電壓的影響，減少開關所需要的能量。這種設計可與碳納米管兼容，具有更大的優勢。其他替代技術也在研究之中，如利用電子隧穿和控制電子旋轉的晶體管。但CNFET仍是唯一在性能、顯示系統復雜性和制造成熟度方面都達到高水平的新興納米技術。

那么這種碳納米管電路何時可用于智能手機和數據中心呢？像其他新技術一樣，只有當芯片制造商真的決定生產時，碳納米管才能融合到計算技術高速公路中。由于最近碳納米管制造和設計的進步，再加上這種材料實際上可以作為硅的補充，我們離這個目標越來越近了。只要我們愿意再加把勁兒，它就能超越硅。

作者： Max Shulaker