石墨烯芯片还存在很多问题

之所以人们会想用石墨烯以取代现有的硅半导体作为芯片的材料，用Max教授的2013年的话说就是：“与传统晶体管相比，碳纳米管体积更小，传导性也更强，并且能够支持快速开关，因此其性能和能耗表现也远远好于传统硅材料”。

换言之就是说，石墨烯具有硅所不具备的更优良的力学、化学和电学性能。不过这些优势真的是电子工业所需要的吗？近几年来，作为计算机核心的CPU的单核性能不再像过去一样大幅提高的主要原因真的是因为硅半导体材料的力学、化学和电学性能不行吗？

事实显然不是这样，现今CPU综合性能上不去有复杂度太大的原因，有主频难以继续提高的原因，也有芯片功耗障碍的原因和带宽障碍的原因。这些原因都不是因为硅半导体本身的材料问题造成的。

以主频的提高为例，130nm工艺之后，芯片电路延迟随晶体管缩小的趋势越来越弱。伴随而来的就是主频的提升越来越难，目前制约主频的主要因素已经成为连线时延而非晶体管的翻转速度。

（随着制程的减小，门延迟降低而连线延迟上升）

可见此时引入新的材料并不能解决电子工业面临的问题，何况以石墨烯构建芯片还面临着与旧生态不兼容、加工困难的问题。事实上，半导体电子管诞生初期就有过是不是应该用功耗更低的锗来做半导体的基材的讨论。最后因为成本以及硅电路过去的积累最终使产业界放弃了这一打算。

今天引入的新材料，如果不能解决上面这些关键问题，面对的壁垒比当年的锗半导体材料只大不小，所以Max最近的研究开始向石墨烯辅助硅转变。

Max教授在他近期的论文中宣称：“该芯片的RRAM和碳纳米晶体管在200度下制造，而传统的工艺需要1000度”。低温有助于大大增加集成电路层之间的纵向联系，按该论文的说法，石墨烯3D芯片的纵向联系比传统方式增加了1000倍。而这种联系有助于解决大型集成电路元件中带宽障碍的问题。

这种温度上的差异是由石墨烯材料与硅半导体加工方式不同造成的，构建芯片的晶体管并非是蚀刻加工的，而是“生长”出来的。石墨烯3D芯片制造靠的是化学而非物理作用。

这种方式在一定程度上有其优越的一面，另一方面，如何大规模的、均匀的、同样大小的生长碳纳米晶体管也是令人头疼的问题。

2013年全球首台碳纳米晶体管计算机诞生时Max Shulaker教授说：“这是人类利用碳纳米管生产的最复杂的电子设备。”而这台计算机仅仅只有178个晶体管，同时只能运行支持计数和排列等简单功能的操作系统。这与当时的硅半导体计算机存在数千万倍的差距。

Max教授在另一篇论文中也承认“碳纳米管（加工中）容易改变，这会降低电路产量, 降低电路的抗干扰能力, 并严重降低其能源和速度效益。为了克服这一突出的挑战, 需要探索和优化碳纳米管处理方案和 CNFET 电路设计。”

说取代传统硅芯片为时尚早

2017年这次Max教授的研究成果之所以受人瞩目，一方面是因为芯片中集成的碳纳米晶体管数极大地增加到200多万个，另一方面是因为“电子复兴计划”宣称该团队的成果有望以更低的成本实现50倍的性能提升。

笔者认为，现在说石墨烯3D芯片取代传统硅芯片还有许多困难，该团队的宣传无疑存在相当的水分。

之所以这样说是因为该团队并未解决生产石墨烯芯片带来的良品率问题。所谓200万个碳纳米晶体管由计算、输入输出和采集系统组成，并构成了100万个气味传感器。也就是说，这些晶体管几乎全部用于制作气味传感器了，而气味传感器的容错性是非常强的。100万个传感器中即使损坏几万个也不会对芯片产生毁灭性的影响。

这样的芯片能否证明碳纳米晶体管生产的稳定性和可靠性是值得怀疑的。

而该团队确实在宣传上也非常喜欢浮夸的风格，在论文中动辄宣称比现有的方法提升若干倍。在一篇讨论碳纳米晶体管设计中的文章中甚至宣称比现有的方案有了至少100倍的提升。因此所谓50倍的性能提高也是非常值得怀疑的。