发布于：2017/5/26 9:54:22 | 414 次阅读
早晨醒来件事（或任何时候）是不是拿手机看时间或看有没有错过电话短信微信等等刷存在感？如果是，请继续看下去。
以下设备你用过多少种？手机、电脑/笔记本/平板电脑、机顶盒、电视机、打印机、微波炉、电热水壶、洗衣机、冰箱、电子门禁、智能卡（比如智能公交卡、银行借记卡/信用卡）、电梯、地铁。如果答案不是零，你就应该知道，这些设备有一个共同点：芯片是它们的或重要组件。并且，以上还只是一部分需要用到芯片的设备而已，并不是全部。——在我们有所觉察以前，芯片已经无处不在。
如果说钢铁是工业时代的基石，那么信息时代的基石就是半导体材料，这是芯片的。因此，早在1990年代，中国就试图打造属于自己的芯片产业，但由于投资分散于130个加工厂、横跨15省，一直未能形成协调的产业链。20余年后，进入21世纪第二个十年，由国务院牵头，工信部、科技部、财政部、发改委这四大部委协作制定新的发展规划和政策，决心振兴芯片产业。与此前不同，这次参与规划的除了国家部委，还有产业内的龙头企业，并由国务院副总理马凯挂帅。
2014年6月，《国家集成电路产业发展推进纲要》（以下简称《纲要》）发布，集成电路产业作为信息技术产业的，被定义为支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业，9月，国家集成电路产业投资基金成立，首期规模达到1200亿元。为避免之前产业结构不成体系的的问题，此次政府明确了要聚焦于半导体产业各个环节（设计，生产，加工，组装，测试），并在每个环节培育龙头企业。例如，在北京经济技术开发区建立300mm生产线，由北京市经信委、和北京市政府共同投资12亿美元。
对于中国半导体产业，这是一个好的时代，也是一个坏的时代。
好的方面是，2015年，销售收入接近3600亿元，超过《纲要》的3500亿元目标。中国已经成为世界半导体消费国，购买约45%的芯片，用于本国或出口的各类设备。因而跨国集团（从汽车，到工业控制，到生产设备）愿意较以往更多地在华设立设计中心，贴近用户并更多地雇佣中国本地高水平研发人员。而随着设计中心向中国迁移，中国很快就能影响全世界50%的半导体硬件设计。更重要的是，当国际半导体生产企业，比如三星、台积电、德州仪器等，陆续在中国建厂，中国就有机会借助它们理顺自己的上下游产业链，使本地企业，比如上海华力微电子集团、中芯国际、武汉新芯等，均能从这样一个国际水平高科技生态圈获益。
坏的方面是，中国每年芯片消耗量巨大，且其中超过90%依赖进口。美国《财富》杂志今年2月报道，美国半导体，英特尔、高通、苹果，依旧占据3400亿美元半导体年销量的一半。路人皆知他们这一巨大优势在很大程度上源于他们掌握的技术，但中国也有一个现象间接有利于他们维持优势地位：由于中国市场巨大，近年扩张速度快，且技术门槛较低，中国原始设备制造商（OEM）往往不愿意在技术创新上花力气，更多地只看本土市场的销售；数据显示，2012年，中国OEM有54%产品是全新设计的，到了2016年，这一数据下降至28%，而同期为国际市场设计的产品比例也保持在较低的30%左右，这不是一个好的长期战略。
在中国，尽管外资OEM和本土OEM的研发资金从2012年的1630亿美元增至2015年的22美元，但麦肯锡2017年报告指出，这主要投入在IT和高科技产业的系统级研发和终产品设计（例如手机整机），作为制胜关键的最基本元器件研发没有得到足够重视。技术水平继续落后水平5到6年。
2017年初，北京大学彭练矛教授领导的团队发表在科研界期刊《科学》上的一项结果，证明中国人有能力扭转这一现状：他们用新材料（碳纳米管）制造出芯片的最基本元器件——，其工作速度3倍于英特尔的硅基商用器件，能耗却只有对方的25%，且其他重要性能指标也都占优。同时，由碳晶体管打造的小规模集成电路也体现出优于硅的性能，而晶体管的速度和能耗直接影响芯片的速度和能耗。如果将这一成果纳入国家战略，与国内在芯片设计及加工等各方面的龙头企业合作，联手开发芯片，那么，中国的芯片技术很可能实现换道超车。
我们是这样分析的：成本方面，碳与硅同为地球上含量相当丰富的元素，若按质量算，碳的含量排第四位，硅排第八位，若按生产工艺算，碳基晶体管制备步骤仅为硅基晶体管的一半，碳基集成电路所需材料种类亦明显少于硅基集成电路，这两个特点均有助于降低生产成本，巩固碳作为芯片材料的优势。
但有了换道超车的可能性只是一个起点，而尽管我们有了这样好的一个起点，我们也意识到了工程化的困难。工程化之难，举世公认，以至于从实验室到产品中间的这一环节得到了“死亡谷”的外号。
以英特尔为例，其在1968年成立之初，收到ArthurRock（美国资深投资人，是他为风险投资命名）250万美元投资。在经历4年亏损之后，于1972年开始盈利，逐步走出死亡谷。回顾1960、1970年代，恰是半导体产业的开端，销售单个晶体管都可以盈利，像英特尔这样由资深组建的公司尚且要花费四年时间才能开始盈利。时过境迁，如今的半导体行业竞争激烈，市场趋于饱和，利润被不断摊薄，麦肯锡分析，创业公司花个5年、10年甚至15年才开始盈利已是普遍现象。并且，由于过度竞争，造成投资回报率普遍低于投资人能接受的底线（8%）。因此，今天摆在我们面前的工程化死亡谷比起当年更具有挑战性，更加考验我们的决心。
仍以英特尔为例，其从1968年创立到2015年的研发费用总计1257亿美元。要想达成英特尔如今的成就，我们还有很长的路要走，因此我们建议，整合国内企业和高校的技术，共同解决芯片各个部分的开发。那么，在已然相当庞大的硅帝国面前，碳芯片如何起步、如何发展？
首先，半导体产业近年出现一些重要变化，给碳芯片提供了机遇。从1995到2008年，是美国半导体产业的黄金时代，SOX指数（反映美国半导体行业变化）曾一度三倍于S&P500指数，展现出半导体产业优于其他行业的竞争力。而从2008年到2014年，这优势消失，两大指数十分接近，主要原因是手机和计算机需求量下降。但自2015年以来物联网开始快速发展，创造出对各类及相关芯片的巨大需求，极有可能重振芯片产业：在国际半导体中，48%的成员认为物联网将是未来推动本产业排位前三甲的强大驱动力，17%的成员将其列为驱动力。
同时，物联网要用到的传感器中的芯片，其结构较计算机和手机芯片要简单得多，并且，这是一个全新的市场，固化尚未出现。具体到技术层面，物联网行业最需要的创新在于更低的能耗和更长的电池寿命，因为更长的待机时间可以激发更多的需求和新的功能，而低能耗恰是碳芯片最厉害的特长之一。
从以上分析可见，物联网传感器芯片正适合成为碳芯片的切入点。
举例：彭教授的团队已在实验室实现了碳材料的医用传感器，可以检测血压心跳和血糖等生化指标，由于碳材料与人体存在高兼容性，且具有良好的柔韧性，这种传感器可以完美贴合在皮肤上，而且可以做得很薄，让人感觉不到它的存在，不会有异物感。这种传感器同样可以用于健身手环（fitnesstracker），其低功耗可以显著延长手环续航时间。
再举例：碳材料可以感光，用在夜视装备上可以达到极高的清晰度，且对不发热的物体也能成像，远胜于红外热像仪，还可以在浓雾中成像，这使它在汽车辅助驾驶系统中大有用武之地，以及打造最适合智慧城市的监控摄像头。目前彭教授的团队已在开发这项技术并取得重要进展。
重点是，在当今物联网创造的六大市场中（可穿戴智能传感器，智能家庭应用，医疗电子，工业自动化，汽车辅助驾驶，智慧城市），碳材料已经确定可以切入其中四个。
大数据时代对数据中心的大量需求也是碳材料的切入点，因为碳材料存储器功耗低，将显著减小数据中心的巨额散热费用。此外，NAND存储器的3D化架构也是碳材料的优势之一。不过这个方向或许不是很理想，因为存储器行业一直存在供给过剩，大幅挤压了利润空间。随着行业从25nm结点向20nm结点迈进，新一波的产能过剩已经开始。
长久以来，整个半导体产业（芯片、存储器等等）遵循摩尔定律，不断缩小晶体管尺寸以提升性能，创造新的产品，已经打造出一个年收入（税前，利息前）2500亿美元的产业生态，包括芯片等半导体设备生产及相关的产业（例如芯片加工设备）。随着摩尔定律即将到达终点，晶体管尺寸不能再缩小（已经达到物理极限），整个生态圈所有的环节就面临另谋出路的问题：过去，半导体企业争的是更高的性能
和更快的技术升级，现在低成本成为区分成败的标尺。这里再次提出碳材料的第三大优势——低成本，可以认为，谁先掌握碳芯片技术，谁就可能在新一轮角逐中胜出。
反观近年来中国的半导体技术快速升级，主要靠巨额收购，但这种方法并不能带来的技术。中国的汽车工业就是前车之鉴，强制外资车企与本地车企共享技术，结局却是国内车企严重依赖外资。2016年美韩等国相继出台政策法规阻止中国收购半导体技术，使收购之路更加行不通。
一个可资借鉴的例子是韩国三星如何从后赶上、一路发展成为现在具备芯片加工能力的三大企业之一，他们靠的就是巨额研发投入外加人才引进，还有坚韧的耐心度过漫长的低收入阶段。
也许有人认为，用过时技术也能制造出某些芯片来满足国内市场需求（还要结合限制进口才能实现），但这不能让我们在国际市场上形成竞争力。要记住，如同《经济学人》所说，半导体是这样一个行业：排名第二的公司攫取全部利益，其他公司全部亏损。
关于碳基芯片的研发要不要走工程化环节、还是说停留在实验室阶段就算了，彭教授自己说了这样一番话：若说看不到追赶国际先进企业的路也就罢了，现在已经看得见前面有亮光，只是循着亮光走下去这路会不会很崎岖、很漫长，然而如果就此停步，真是我们想要的吗？
——回想工业时代我们的前辈那么努力要摆脱钢铁的对外依存度，等到进入信息时代，我们反而不介意集成电路继续依赖进口么？
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