¿Cuándo se deben utilizar chips a base de carbono?

El 26 de mayo de 2019, el Instituto de Investigación de Circuitos Integrados a Base de Carbono Yuanxin de Beijing anunció que había resuelto el cuello de botella que durante mucho tiempo ha afectado la preparación de materiales semiconductores a base de carbono.

En 2019, el equipo de Yin del Instituto de la Academia de Ciencias de China anunció que habían desarrollado con éxito un transistor de 3 nanómetros con un ancho comparable al del ADN humano.

En mayo de 2020, el Instituto de Investigación de Circuitos Integrados a Base de Carbono Yuanxin de Beijing anunció que un equipo dirigido por el profesor Peng Lianmao y el profesor Zhang Zhiyong, académicos de la Academia de Ciencias de China, resolvió el problema de la pureza y densidad del material. y calidad en la preparación de materiales semiconductores a base de carbono. Cuestiones de cuello de botella como el área.

Esto significa que el próximo chip no será necesariamente de silicio, sino de carbono, es decir, chips basados ​​en carbono.

Los denominados semiconductores basados ​​en carbono tienen menor coste, menor consumo energético y mayor eficiencia. Es un material de silicio diferente a los chips actuales, por lo que superar las limitaciones de este material en el futuro ayudará mucho a nuestros chips.

Se utilizará en diversos dispositivos en el futuro, como chips de teléfonos móviles, chips de ordenador, etc. Incluso los chips tecnológicos basados ​​en carbono podrían hacer que nuestros teléfonos funcionen mejor y que sus baterías duren más.

Los chips basados ​​en carbono que se han lanzado al mercado tienen mayor eficiencia y mejor rendimiento que los chips basados ​​en silicio. Si es así, de acuerdo con las leyes del desarrollo científico, los chips a base de carbono pueden reemplazar a los chips a base de silicio en un futuro próximo. La aparición de nuevas tecnologías no puede alcanzar el nivel de las tecnologías antiguas de una sola vez, pero las nuevas tecnologías mejorarán gradualmente y superarán a las antiguas. Ha habido muchos ejemplos antes: En primer lugar, cuando se construyó y puso en marcha el tren por primera vez, ¡la gente decía que no era tan rápido como montar a caballo! La gente a caballo y en los trenes se reía de la torpeza y lentitud de los trenes. Ahora hablemos de la pantalla. Al principio, las pantallas de tubo dominaban el mundo y luego aparecieron las pantallas de cristal líquido. En aquella época, mucha gente creía que los monitores LCD nunca serían una realidad y que sería imposible superar y sustituir a los monitores de tubo. ¿Y ahora qué? ¡Echa un vistazo * * *! Debemos tener una mentalidad científica para estudiar cosas nuevas y aceptarlas, seguir explorando y tener el coraje de innovar. Creo que mientras los chips a base de carbono funcionen mejor que los chips a base de silicio, ¡superarán y reemplazarán a los chips a base de silicio! Es simplemente la cantidad de tiempo.

Es difícil decirlo en cinco años, tal vez 10 años o más.

Progreso de los chips a base de carbono

De hecho, los chips a base de carbono se han desarrollado durante más de 20 años y los transistores de carbono se lanzaron al mercado en 1991. Pero si se utilizan transistores de carbono, la comunidad científica lleva más de 20 años estudiando este problema.

Desde la preparación y purificación de nanotubos de carbono hasta el método de disposición de los nanotubos de carbono, esta investigación se ha llevado a cabo durante más de 20 años. Hasta este año, los resultados de la investigación del equipo de la Universidad de Pekín ya no podían permanecer en el laboratorio, lo que daba a los chips basados ​​en carbono una base para empezar a hablar de industrialización a gran escala.

Pero, de hecho, pasarán 10 o incluso 20 años desde el inicio de la producción hasta la industrialización real. Después de todo, la cadena industrial involucrará materiales, tecnología, procesos y luego tipos de equipos, etc. Estos, aguas arriba y aguas abajo, deben mantenerse al día.

Además te puedo dar una referencia. Según el equipo de la Universidad de Pekín, su próximo objetivo es completar el desarrollo de un proceso CMOS basado en carbono de 90 nm en un plazo de 2 a 3 años.

Todos pueden ver claramente que dentro de 2 o 3 años, el proceso de 90 nm estará completamente desarrollado y, según datos teóricos, este chip de carbono de 90 nm equivale al rendimiento de un chip de silicio de 28 nm. .

Chips basados ​​en silicio de 28 nm, SMIC 2015 logró la producción en masa, lo que significa que todo salió bien. De hecho, los chips basados ​​en carbono llevan al menos 10 años de retraso.

Por lo tanto, es imposible que los chips a base de carbono se utilicen en la producción de hormigón dentro de cinco o diez años, así que no lo esperen en el corto plazo.

Se estima que se ha desarrollado la tecnología de vanguardia de chips a base de carbono. Es sólo una cuestión de rendimiento y costo. Se estima que comercializar el grado 586 a base de carbono no tiene mucho sentido. Actualmente, los enfoques basados ​​en el carbono todavía se basan en gran medida en el silicio. Creo que esto limita hasta cierto punto el desarrollo de chips a base de carbono.

Creo que la tecnología basada en silicio ha llegado a un cierto cuello de botella. Debido a la dualidad onda-partícula de la luz, para que la luz aparezca en estado de partícula, debe haber un observador. En otras palabras, un mayor desarrollo de la tecnología de fotolitografía, la base del procesamiento de chips basados ​​en silicio, puede requerir un gran avance en la aplicación práctica de la ciencia cuántica.

Con la tecnología basada en el carbono, es totalmente posible avanzar hacia otro árbol tecnológico. La construcción de unidades lógicas funcionales se logra mediante la biotecnología. Aunque sea un poco ciencia ficción, ¿qué tipo de ciencia no parte de la ciencia ficción? Como todos sabemos, después de que un virus ingresa a una célula, se replica a través de materiales en el núcleo celular. Los virus más abundantes en la naturaleza son los bacteriófagos, cada uno de los cuales normalmente infecta sólo a un organismo eucariota o procariótico. Si una serie de fragmentos genéticos del virus se pueden utilizar como unidad funcional central de una estructura computacional. Se combinan múltiples fragmentos para viajar a través de una comunidad viva. Una unidad de células biocomputacionales podría transformar a la humanidad una vez que se estabilice la construcción original. Una celda es una CPU con una potencia informática ultraalta que se replica a sí misma. Cuando llegue el ciclo de vida de uno, el otro se dividirá y sintetizará.

Algunas personas pueden pensar que lo que estoy publicando ahora es una locura. ¡Pero quiero decir quién puede predecir el verdadero desarrollo de la tecnología! Si aparecen chips basados ​​en biocarbono, los humanos de hoy pueden ser reemplazados por nuevos humanos que integren chips basados ​​en biocarbono. ¿Quién puede decirlo con seguridad?

Si continuamos con la ruta de desarrollo de chips basados ​​en silicio, se estima que la producción en masa de chips basados ​​en carbono se producirá dentro de cinco años.

Pero si se cambia un árbol tecnológico, puede llevar tan sólo 50 años o hasta cientos de años.

¿Quién quiere utilizar este dispositivo electrónico para escribir ciencia ficción? ¿Pueden firmar conjuntamente?

En 1947, los Laboratorios Bell demostraron un transistor semiconductor basado en germanio, abriendo un nuevo capítulo en la era de la información. Luego, en 1954, apareció el transistor de silicio y rápidamente se convirtió en la corriente principal de la tecnología de circuitos integrados. Han pasado más de 60 años y los chips basados ​​en silicio han hecho desaparecer la "Ley de Moore". Mucha gente ha comenzado a preguntarse si los chips deberían "renovarse" en términos de ciencia de materiales para resolver fundamentalmente la situación actual de toda la industria de los chips.

Aunque los chips basados ​​en silicio siguen intentando acomodar más transistores por unidad de área para mejorar el rendimiento del chip, la gente nunca ha dejado de explorar nuevos materiales. Las propiedades superiores del carbono lo convirtieron en la mejor opción. Más importante aún, la fabricación de chips a base de carbono no requiere una serie de procesos complejos como el pulido de chips a base de silicio, la fotolitografía, el grabado y la implantación de iones.

¿Qué es un chip a base de carbono? Todos sabemos que el transistor del chip es un semiconductor, así que echemos un vistazo a su estructura. Hay un material de alto k que ahorra energía (capa aislante) entre la puerta y la región del canal. El voltaje aplicado a la puerta genera un campo eléctrico en la región del canal, cortando así la corriente y controlando el encendido y apagado del canal. En las zonas de la puerta y del canal hay capas aislantes. Originalmente, esta capa aislante estaba hecha de dióxido de silicio. A medida que el tamaño de los transistores se reduce, la capa aislante se vuelve más delgada, lo que permite controlar la corriente con un voltaje más pequeño, reduciendo así el consumo de energía. Pero la capa aislante es demasiado delgada, lo que provoca el efecto túnel cuántico, y los electrones pueden atravesarla fácilmente, por lo que se utiliza un material de alta constante dieléctrica (como el dióxido de hafnio) como capa aislante.

Los chips a base de carbono utilizan nanotubos de carbono individuales o conjuntos de nanotubos de carbono como materiales de canal que permiten que los electrones fluyan desde la fuente hasta el drenaje. La fuente y el drenaje ya no están dopados con silicio. En cambio, el voltaje de unión entre el metal y el nanotubo de carbono se utiliza para fabricar el transistor con un metal especial. Por ejemplo, los transistores de carbono tipo N utilizan el metal activo escandio o itrio como drenaje, y los transistores de carbono tipo P utilizan el metal inerte paladio como fuente.

Para superar los defectos inherentes, los transistores de silicio tienen que desarrollarse en una estructura tridimensional para superar el efecto túnel cuántico. Los transistores basados ​​​​en carbono han sido modelos tridimensionales desde el principio. Cada nanotubo de carbono tiene un diámetro de 1 nm, lo que es más fácil de lograr tamaños más pequeños que los transistores basados ​​​​en silicio de 2 nm que han alcanzado el límite de los transistores de silicio. Además, los nanotubos de carbono tienen una velocidad de conducción de electrones y un rendimiento de transferencia de calor cientos de veces mayores que los del silicio, pero su consumo de energía es una décima parte del de los transistores de silicio.

Los chips basados ​​en carbono aún están lejos de su comercialización. Ya existen semiconductores de tipo N y P basados ​​en carbono, así como transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono. También se han publicado muchos artículos sobre transistores de carbono en Nature y Science. Muchos equipos de investigación liderados por IBM han estado estudiando la tecnología de nanotubos de carbono. En 2017, el equipo de investigación de la Universidad de Pekín creó por primera vez componentes de transistores de carbono de 5 nm. Para promover la viabilidad de los circuitos de nanotubos de carbono, el equipo de investigación del MIT incluso lanzó el primer chip informático de uso general del mundo con más de 14.000 nanotubos de carbono.

De hecho, los chips basados ​​en carbono se han propuesto en el último siglo. Se predice que los chips basados ​​en silicio eventualmente reemplazarán a los chips basados ​​en silicio en el futuro, pero esto no se ha hecho realidad hasta ahora. El rendimiento de los chips basados ​​en carbono es ciertamente mejor que el de los chips basados ​​en silicio de la misma especificación, pero el proceso de fabricación está lejos de estar maduro. Todos cruzan el río sintiendo las piedras. China está en una posición relativamente de liderazgo. Una vez que se logra un avance, es posible que no se trate de adelantar en una curva, sino en línea recta. China incluso ha incluido materiales a base de carbono en el “Décimo Plan Quinquenal” para la industria nacional de materias primas, y en los últimos años han surgido muchas empresas relacionadas con chips a base de carbono.

Los chips a base de carbono todavía están lejos de ser utilizados comercialmente, pero realmente vale la pena esperar con ansias el futuro de los chips a base de carbono.

Las opiniones personales anteriores son bienvenidas para criticar y corregir.

Me resulta difícil. Entiendo que los mayores problemas son cuánto mejor puede ser el efecto que el silicio, cuánto se puede reducir el costo y la viabilidad del proceso.

El carbono y el silicio son materiales semiconductores, y también se fabrican chips a base de transistores. Teóricamente, la movilidad de los tubos de carbono de pared simple es mayor que la del silicio. Pero en la producción en masa, es difícil distinguir entre los tubos de carbono y el silicio. No es fácil utilizar el método tradicional de Czochralski para fabricar silicio monocristalino ultrapuro de gran tamaño y luego cortarlo en obleas de silicio y luego construir transistores uno por uno. . Debido a que el silicio monocristalino es tan uniforme, el rendimiento de todos los dispositivos es el mismo. Sin embargo, es probable que los nanotubos de carbono sean un enfoque ascendente. Primero, se fabrican muchos tubos de carbono y luego se ensamblan en un dispositivo. Este ensamblaje limita hasta cierto punto la uniformidad del rendimiento de los nanotubos de carbono y tiene un gran impacto en VLSI. No hay forma de lograr uniformidad a gran escala y es básicamente imposible utilizarla comercialmente. Incluso si se fabrica un chip, su rendimiento será mucho menor que el de un solo tubo de carbono. Es difícil decir si puede ser mejor que las obleas de silicio existentes.

En términos de coste, debería ser muy difícil purificar los tubos de carbono, especialmente aquellos con más de cinco nueves. También se deben considerar las propiedades, el número de capas, la quiralidad y la uniformidad de longitud de cada tubo de carbono. Sin duda, las tecnologías de purificación complejas aumentarán considerablemente los costes. Aunque la investigación de tubos de carbono no se considera un costo en la actualidad, los costos comerciales son definitivamente el primer factor.

Al final, siempre sentí que el proceso era difícil de lograr, especialmente para los tubos de pared simple. Cualquier procesamiento, recubrimiento o grabado con plasma dañará el tubo de carbono, lo que requiere el desarrollo de muchas tecnologías de procesamiento extremadamente cuidadosas, lo que actualmente es difícil, especialmente en tamaños pequeños, dentro de unos pocos nanómetros.

El hecho de que surja una nueva tecnología no significa que pueda utilizarse una vez desarrollada. Los productos de laboratorio y la producción industrial aún están muy lejos.

También está el establecimiento ecológico más importante, que requiere acumulación e inversión de tiempo y dinero. Sin un ecosistema maduro, es sólo un truco.