【原】天奈科技，开发碳纳米管芯片

5月14日，天奈科技在回答投资者提问时表示，该公司和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所共同成立了先进碳基电子材料联合实验室。基础材料的产业化将由天奈科技完成，高端应用领域由双方共同推进。目前，以碳纳米管为基础的碳基芯片开发正在进行中。

与传统的硅基芯片相比，碳纳米管具有更高的载流子迁移率、更低的功耗以及更小晶体管尺寸，因此基于碳纳米管的技术路线，很可能成为突破硅基器件物理极限的关键所在。

1998年，IBM的研究人员制作出首个可工作的碳纳米管晶体管。到了2017年，IBM公布了一种全新的晶体管制造方法——使用碳纳米管替代传统的硅基CMOS工艺，从而打造出世界最小晶体管——整个晶体管的接脚面积仅有40平方纳米。测试结果表明，这种碳纳米管晶体管比硅晶体管速度更快、效率更高。相关研究发表在《Science》上。

除IBM外，斯坦福、麻省理工、英特尔等也在加紧对碳纳米管的技术研究。早在2013年，斯坦福大学就制造出由178个碳纳米管晶体管组成的碳基芯片，展示了碳纳米管在芯片制造中的应用前景。

斯坦福大学2013年制造出的碳基芯片

2019年，麻省理工学院（MIT）与Analog Devices合作，开发出全球首款基于碳纳米管的16位RISC-V架构处理器RV16X-Nano，能够完整执行指令集，展示了碳纳米管在可编程计算中的潜力。

MIT制造出的16位RISC-V架构碳基处理器

在我国，碳纳米管芯片技术正处于快速发展阶段，已在材料制备、器件设计和系统集成等方面取得了明显进展。

2017年，北京大学彭练矛院士团队首次制备出栅长5纳米的碳管晶体管，综合性能比当时最好的硅基晶体管领先十倍，接近了理论极限。

2020年，彭练矛院士团队和张志勇教授团队公布了一种全新的碳纳米管制备方法，首次同时实现了碳纳米管晶体管的高密度、高纯度要求。使用该方法制备的碳纳米管纯度可达到99.9999%，阵列密度达到120/微米，有望将集成电路技术推进到3nm节点以下。同时，采用这种材料首次实现了性能超越硅基集成电路的碳纳米管集成电路，电路频率超过8千兆赫兹，跻身国际领跑行列。

彭练矛院士团队研发的晶圆级高质量碳管阵列薄膜

今年3月，彭练矛院士团队联合北京邮电大学研制的全球首款碳基AI芯片正式发布。研究团队展示了一款碳纳米管晶体管芯片，不仅能够处理“1”和“0”的数据，还能处理第三种状态，从而使计算速度更快、能耗更低。

针对硅基CMOS技术在尺寸缩减过程中面临的问题，今年4月，彭练矛院士团队基于碳纳米管材料和碳纳米管晶体管的特性进行研究，首次报道了碳纳米管CMOS晶体管中亚阈值区的本征负微分电阻效应和电流超饱和现象。研究人员将这种高增益特性成功应用于电路中——构建了一个基于这种晶体管的单级运算放大器，通过调节输入电流，成功实现了从35分贝到60分贝（约为59到986倍）的大范围、连续可调增益。

随着传统硅基半导体技术逐渐逼近其物理极限，碳基半导体材料正日益成为下一代电子器件的研究热点。除碳纳米管外，金刚石和石墨烯等碳基材料因其独特的电学、热学和机械性能，展现出在高性能、低功耗电子器件领域的巨大潜力。

例如，在芯片中添加金刚石层可以明显加强热传递，为速度更快、功能更强大的计算机铺平道路。而石墨烯因出色的导电性、热导率和机械强度，也被视为下一代电子材料的有力竞争者，在柔性电子器件、透明导电膜和高速晶体管等领域展现出广阔的应用前景。

随着研究的深入和技术的成熟，碳基半导体有望突破硅基器件的物理极限，推动电子技术迈向更高的性能和更低的能耗。未来，碳基半导体材料将在高性能计算、人工智能、柔性电子等领域发挥越来越重要的作用，开启电子技术发展的新篇章。