芯片是整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的核心部件和基石，也是國(guó)家信息安全的最后屏障。目前我國(guó)芯片自給率仍然較低，核心芯片缺乏，高端技術(shù)長(zhǎng)期被境外廠商控制，與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距短時(shí)間難以逾越。據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)芯片進(jìn)口額超3000億美元，但芯片自給率僅為30%左右。2020年已逾3500億美元，達(dá)到原油進(jìn)口量的2倍。不僅市場(chǎng)代價(jià)巨大，還面臨嚴(yán)重“卡脖子”的風(fēng)險(xiǎn)，危及產(chǎn)業(yè)安全和國(guó)家安全。

目前芯片制作工藝大多采用基于硅基材料的集成電路技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)外廠商壟斷。但硅基芯片的PN結(jié)從根本上限制了其發(fā)展?jié)撃?，目前?nm制程已經(jīng)逼近硅基芯片的物理極限，量子隧穿效應(yīng)決定了其制程規(guī)模無法突破1nm。

隨著5G時(shí)代的到來和人工智能產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，人工智能芯片逐步成為全球關(guān)注的新興賽道。人工智能對(duì)芯片算力提出了更高要求，傳統(tǒng)芯片制作工藝亟須從物理層面進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)。新興半導(dǎo)體材料的異軍突起，將成為左右半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)未來話語(yǔ)權(quán)的重要因素。全球人工智能芯片市場(chǎng)均尚屬于萌芽階段，雖然我國(guó)起步較晚，但暫未與發(fā)達(dá)國(guó)家拉開較大差距。

為推動(dòng)半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)換道超車，發(fā)揮關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)新型舉國(guó)體制優(yōu)勢(shì)，建議大力研發(fā)四種新型芯片：

一是碳基半導(dǎo)體材料。使用碳基半導(dǎo)體制造芯片存在較大優(yōu)勢(shì)，碳晶體管的理論極限運(yùn)行速度是硅晶體管的5-10倍，而功耗卻只有后者的1/10。2020年5月，北京元芯碳基集成電路研究院突破了碳基半導(dǎo)體材料制備瓶頸。我國(guó)碳基材料率先研制成功，為碳晶體管的制作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，標(biāo)志著我國(guó)碳基芯片制造領(lǐng)域處于科技的最前沿。

二是硅碳半導(dǎo)體材料。該材料綜合硅基、碳基半導(dǎo)體的優(yōu)秀品質(zhì)，因?yàn)槠洫?dú)特的化學(xué)特性，硅碳半導(dǎo)體材料有著無可比擬的應(yīng)用前景，主要應(yīng)用于大功率、高溫、高頻和抗輻射的半導(dǎo)體器件上，比硅器件強(qiáng)很多，在5G、智能交通、新能源汽車和工業(yè)控制等市場(chǎng)大有可為。

三是第三代半導(dǎo)體材料。這是以SiC碳化硅和GaN氮化鎵等為襯底材料，具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率電子器件，在光電子和微電子領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，市場(chǎng)火熱的5G基站、新能源汽車和快充等都是第三代半導(dǎo)體的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

四是發(fā)展光子芯片。光子芯片的計(jì)算介質(zhì)是光子而非電子，有功耗低、運(yùn)算頻率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，光子芯片的計(jì)算速度將是傳統(tǒng)芯片速度的1000倍以上，抗電磁干擾的能力更為強(qiáng)大延遲更低。其不需要改變二進(jìn)制計(jì)算機(jī)最底層的軟件原理，適合線性計(jì)算，與未來人工智能和大數(shù)據(jù)發(fā)展方向相契合。目前主流光子芯片研究廠商僅將光子芯片作為電子芯片的補(bǔ)充，集成為光電子芯片，在單獨(dú)制作和運(yùn)用光子芯片方面暫未取得關(guān)鍵性技術(shù)突破。

（作者系廣東省生態(tài)環(huán)境廳廳長(zhǎng)）