石墨烯或改變行業 晶片將提速百萬倍?

石墨烯技術優點頗多,未來或成晶片主要材料 石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料,它的厚度只相當於一個碳原子。可以說,石墨烯是世界上最薄卻最堅硬的材料,也是世界上電阻率最小的材料。 由於以上特性,石墨烯成為了一種良好的導體,能夠用來製作光板、太陽能電池及透明觸控螢幕等具有高科技含量的產品。還能減少噪音,進行電子基因測序等。 此次MIT認為石墨烯可以製造出速率極快的晶片,也是由於石墨烯自身的特性。 MIT的研究人員發現,石墨烯的特性可以使光的速率降低,從而產生密集的光束。由於這種現象和飛機超越音速時產生的“音爆”相似,故而被稱為“光爆”。 在光爆過程中,當運動的速度因為快於光而受到局限時,石墨烯中的電子會釋放出“等離子體激元”,這一現象能夠為超薄電腦設備的光基電路的研製打基礎。 眾所周知,傳統晶片的原材料主要是矽。但是,石墨烯比矽要好用得多。 用矽製造的晶片,結構是單層的,它們之間靠線來連接。這樣的晶片在傳輸資料流程大、距離遠的資料時,往往會耗費較多的資源,而且時常發生堵塞。 石墨烯則與之不同,它是六角型的、呈蜂巢晶格式的平面薄膜,傳導性極佳。因此能夠做到快速傳輸資料,提升晶片速率。 此外,矽基材料晶片的主頻與發熱量成正比,而主頻又是晶片性能重要的衡量標準之一。因此,許多晶片廠商為了控制發熱問題都會採取一些降頻措施。 目前,矽晶片的最高頻率在液氮環境下為8.4GHz,PC處理器的主頻為3-4GHz,移動處理器的主頻則在2GHz左右。 如果將石墨烯材料運用在晶片製造中,效果則會好得多。 與矽基材料相比,石墨烯的載流子遷移率在室溫之下能夠達到矽的10倍以上,在實驗室環境下則可以達到100倍,同時飽和速度可達矽的5倍。由於石墨烯良好的導熱性,理論上能夠使晶片主頻達到300GHz,並且功耗低於矽基晶片。 對於石墨烯技術作用於晶片的研究,目前至少能夠確定兩點。 第一,石墨烯原材料相對於矽基材料來說具有更好的特性,無論是速度、功耗還是可縮減性能。石墨烯技術可以被推進到8nm甚至5nm 的技術節點,這恰好是2020年之後的數位電路目標。 第二,石墨烯應用於晶片的方案切實可行。在實驗室中,許多研究人員已經研製出了此方面的技術,投入實踐也是指日可待。 事實上,石墨烯技術目前也受到了各方的重視。 石墨烯技術受到各方青睞,或改變晶片行業現狀 由於石墨烯技術具有諸多優勢,眾多科技企業已經開始對其進行了晶片應用方面的研發。 IBM一直是硬體領域中的巨頭,然而近年來,整個硬體行業的形勢下滑,創新成為重點。故而IBM也不斷嘗試著新技術,以期扭轉硬體行業式微帶來的不利局面,而創新的重點,就在於石墨烯技術。 IBM的主要計畫是提升晶片性能並縮減其尺寸,從而提升晶片效率。對於恰好能滿足這些要求的石墨烯技術,IBM投資了30億美元,嘗試對晶片進行革新,實現硬體業務的復蘇。 The Envisioneering Group的研究主管Richard Doherty認為,許多流過矽晶片的電力都轉化成了熱量,所以矽晶片的速度很難再有上升的空間。IBM方面則表示,石墨烯材料中的電子遷移速度是矽材料 的10倍。未來,他們會針對這一領域進行更多的研究。 此外,華為也在英國進行了石墨烯的投資。作為國產手機廠商中為數不多的擁有自己晶片的企業,石墨烯技術必將成為其重點研發的對象。對此,華為高級副總裁 陳黎芳表示:“我們在石墨烯領域的合作,將為未來資訊通信行業發展、構建更美好的全聯接世界,提供至關重要的基礎性支撐。” 在中國,石墨烯技術也同樣受到了重視。 幾個月之前,發改委、工信部和科技部三部委印發了《關於加快石墨烯產業創新發展的若干意見》,旨在引導石墨烯產業的創新、培育石墨烯行業進一步壯大,最終帶動材料產業的革新。 中國之所以如此重視石墨烯技術,是因為其極高的載流子速度、有限的散射、優異的等比縮小特性,使其成為電子器件和積體電路的首選材料。除了晶片行業之外,石墨烯技術還能夠在光纖通信、感測器製造、5G通信等重要領域中得以應用。 不過,石墨烯技術也存在著一些局限性。 第一,石墨烯的成本極高。 石墨烯的最高價格達到了5000元/克,在業內有“黑金”之稱。因此,一般的企業在資金方面無法進行研發,這也是為何石墨烯技術的玩家基本上都是三星、IBM、英特爾等巨頭的重要原因。 第二,石墨烯技術存在局限性。 石墨烯的生長是有嚴格的控制條件的,必須在絕緣襯底上定位,才能生長出所需管徑大小的半導體石墨烯。但是對石墨烯的生長進行嚴格控制的條件目前尚無法實現。 第三,無法實現大規模應用。 由於成本極高和技術上的局限性,石墨烯的生產仍處於實驗研究階段,並未在商業用途方面實現大規模量產。與之相比,矽基材料在成本和穩定性方面仍存在優勢。 其實,將二者結合也是一個不錯的選擇。此前,哥倫比亞大學曾研發出一款石墨烯-矽光電混合晶片。應用物理學教授Philip Kim認為,這兩種材料的結合具備了超快的非線性光學調製性能,這將為晶片、積體電路、高速光通信等領域打開新的大門。 隨著移動端的發展,PC端逐漸沒落。如果能夠開發出速度更快的晶片,將使更快的計算能力變為現實。這不僅能夠推動晶片行業的進步,還能夠推動人工智慧和認知計算的發展。儘管目前石墨烯技術仍存在短板,但是在未來,這項技術或許會為晶片及相關行業帶來一場革命性的改變。

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