首颗非硅芯片点亮，更快更省电的计算未来已在眼前_风闻

8月底，Nature期刊刊登了一篇论文，而这篇论文可能成为未来半导体产业革命的起点。该论文描述了一颗基于纳米碳管的半导体芯片制造以及运作结果，这也是世界第一颗成功点亮的纳米碳管芯片。

纳米碳管的起源以及在半导体的渊源

纳米碳管起源于日本电气公司(Nippon Electric Company, NEC)饭岛澄男博士(Dr. S. Iijima)，其在1991年自然杂志(Nature)发表了一篇高分辨率穿透式电子显微镜(High resolution transmission electron microscope,HRTEM)下电弧放电后石墨阴极沉积物中一些针状物的影像，显示出这些针状物的结构是一种长形中空纤维，长约1um，直径为4～30nm，由2～50个同心管构成。

目前纳米碳管主要分成单壁(single-walled carbon nanotubes, SWNTs)与多壁(multi-walled carbon nanotubes, MWNTs)两大类，其中单壁纳米碳管的制程条件必须有较严苛的控制。这两类的纳米碳管在制造过程中也可能集结成束(bundle)，或依照R. E. Smalley首先提出的「绳(rope)」来称呼。

至于纳米碳管是怎么和半导体产生关联的？这要回到14年前，也就是在2005年时，Charles M. Lieber与其研究生Thomas Rueckes在位于哈佛大学的实验室的计画启发，这两位在实验室中从事纳米碳管电性和材料特性的测量工作。有天，他们想要向美国国防高等计画研究署(DARPA)的分子电子学计画申请经费，便决定以纳米碳管应用在晶体管制造为题目，通过其弹性伸缩方向，来表现0与1的不同状态，并以此概念向DARPA申请了经费，而DARPA也在一天之内核准。

理论上，该技术可以应用于高速缓存、内存等产品上，同时可以在断电之后依然保存原本的记忆状态，同时也能避免冷、热以及磁力可能的伤害或干扰。

而在2016年，IBM的研究人员更找出一种能够使用纳米碳管制造芯片的方法，他们宣称通过相关的技术制造出来的芯片，可以达到现有产品的10倍速度，而在最佳的状况下，速度差距甚至可上看千倍。

IBM研发人员表示，该芯片具备不到10nm的通道作为开关，效率上远比传统硅芯片效率高。而在接触点方面，芯片中的接触点为电流至半导体通道间的控制阀，随着晶体管的缩小，接触点的电阻也会增加，随之造成效能下滑。而IBM找出了克服了接触阻抗的问题，在金属电极与纳米碳管之间形成一个高质量的接触点，即使于更小的芯片上仍能保有效能，还能减少电力损耗。

目前纳米碳管仍有许多限制需要突破

回到论文和芯片的研究结果，研究人员通过实际制造了基于纳米碳管的芯片之后，发现其在电器特性上拥有绝佳的优势，相较于传统的硅半导体芯片，其实验性芯片可以在三分之一的能耗表现下输出达三倍的性能。

然而纳米碳管仍有不少现在需要突破，首先，在制造纳米碳管芯片时，通过沈积的方式在芯片底材上制造电路时，纳米碳管会倾向于形成块状物堆积在一起，而很难让电路形成。而研究人员通过直接将纳米碳管材料散布在芯片上，然后利用震动把多馀材料移开。

而另外一个问题是纳米碳管本身的材料限制，由于研究人员使用的半导体纳米碳管约含有0.01%的金属纳米管，而金属材质无法在导电与绝缘之间进行转换，也因此，这些不纯的材质就会影响到晶体管的运作。

最终，研究人员克服了相关问题，并打造出一颗由14000的纳米碳管晶体管制造而成的芯片，并在此芯片上执行了简单程序，成功打印出Hello World！。而这个词相信很多程序猿都非常了解，这是入门编程的第一个程序。

然而虽印证了纳米碳管制造芯片的概念，但这个芯片仍远远还不能达到取代现有硅芯片的能力，除了晶体管尺寸还是远大于传统的硅芯片以外，其半导体切换速度也远不如硅：硅芯片每秒可以切换数十亿次，而纳米碳管仅能达到百万次的等级。

换言之，目前制作出来的纳米碳管芯片，其性能约等于上世纪80年代的硅芯片。

随着技术的进展，未来更小的纳米碳管晶体管可以让电力的流通更顺畅，从而提高开关速度，同时，通过对纳米碳管的布局进一步的优化，而不是像现在实验芯片采用的随机网格，也可以进一步提高通过晶体管的电流，从而提高处理速度。