Sam Altman為了實現(xiàn)AGI，打算籌資7萬億美元，集合全世界半導體產(chǎn)業(yè)鏈的力量，建立一個全球性的“芯片帝國”！新聞一出，輿論嘩然。

“后摩爾時代，放過石墨烯 （Graphene）吧。”這是兩年前中國科學院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠范說過的話。石墨烯，一個“新材料之王”，一個曾經(jīng)在2021年在“全球IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）國際芯片導線技術會議”定位為下一代新型半導體的材料，曾經(jīng)掀起過不小風潮。

但彼時，各種概念肆虐，石墨烯電暖氣、石墨烯化妝品，甚至是石墨烯內(nèi)衣，就像曾經(jīng)的納米水、光催化和負氧離子空氣凈化器一樣，一度讓人們認為石墨烯的產(chǎn)品都是“騙人的”。可以說，石墨烯早就被營銷“玩爛了”。

而且，更為重要的是，直到去年為止，石墨烯都沒有“帶隙”，帶隙是0意味著，石墨烯就是導體。也就是說，石墨烯之前連允許允許半導體打開和關閉的功能都不存在，更別說引發(fā)半導體和電子學革命了，而且這種難題一卡就是幾十年。


1、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(jié)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(nèi)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(jié)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(nèi)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(nèi)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。

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！

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。


2、石墨烯取代硅成為新一代半導體須過三道坎

目前，石墨烯要取代硅成為新一代半導體，仍面臨諸多難題。

一是材料優(yōu)化坎。理想的石墨烯半導體，需要對碳化硅和石墨烯揚長避短，有兩種材料的綜合優(yōu)勢：既要有碳化硅半導體一樣優(yōu)良的帶隙，又有石墨烯導體一樣優(yōu)良的電子遷移率。目前，中美聯(lián)手只是找到了制作石墨烯半導體新材料的方法，實驗結(jié)果還遠未達到理想的狀態(tài)。

該方法制備的石墨烯半導體，目前只有0.6 eV帶隙和5500cm2/V·s的電子遷移率， 與碳化硅3.2eV的帶隙和石墨烯15000cm2/V·s的電子遷移率相比差距很大，需要繼續(xù)探索改進。但是，現(xiàn)在方法找到了，方向明確了，需要的就是時間。

二是大規(guī)模量產(chǎn)坎。目前，制備高純度、大面積的石墨烯材料仍是一大挑戰(zhàn)。常用的制備方法包括化學氣相沉積、剝離法和一些合成方法，成本都較高，而且難以控制石墨烯的厚度和結(jié)構(gòu)。

三是加工應用坎。石墨烯不同于硅，它的機械強度和化學穩(wěn)定性都很高，這就增加了加工和應用方面的難度。


3、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(zhì)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(zhì)那里“借”來帶隙。

而在具體操作中，這個被選中的物質(zhì)，就是碳化硅（SiC）。這是因為碳化硅表面結(jié)構(gòu)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(zhì)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(diào)節(jié)石墨烯的生長速率和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。從而促進石墨烯層的有序生長，減少缺陷和雜質(zhì)。

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(jié)構(gòu)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?qū)崟r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？


4、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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhì)就比較“聽話”。其晶體結(jié)構(gòu)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。可后來，這一成本到2020年已經(jīng)降至137美元/kWh。

那其中的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)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。