01

　　石墨烯的突圍

　　面對人才、資源和技術“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。

　　為什么石墨烯與半導體的結合這么厲害?

　　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，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構、電子結構決定的，

　　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。

　　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節(jié)的水閘，我們可以打開或關閉水閘來控制水流。

　　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，沒有帶隙……

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

　　這個蜂窩狀的結構，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，讓它從別的物質那里“借”來帶隙。

　　而在具體操作中，這個被選中的物質，就是碳化硅(SiC)。這是因為碳化硅表面結構和石墨烯非常匹配

　　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，可以調節(jié)石墨烯的生長速率和結構質量。從而促進石墨烯層的有序生長，減少缺陷和雜質。

　　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的石墨烯就誕生了。

　　講真，這技術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，由于獨特二維結構和材料特性，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設備能夠實時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，這種結構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和工藝，比如特定的轉移或生長技術。

　　在半導體材料制備過程中，凡是和“精細”相關的環(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，硅的性質就比較“聽話”。其晶體結構很穩(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域，提供硅難以企及的差異化優(yōu)勢。

　　而這些特異的領域之一，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，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，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，如電池技術、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，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轉型的策略，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。每個國家都需要擁有自己的人工智能基礎設施。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設施，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，由于設計原理和制造工藝的不同，則需要全新的技術路徑和設備。

　　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。