舉例來說，目前主流的4G系統(tǒng)基站雖然已經(jīng)采用了負(fù)責(zé)基帶處理的BBU+負(fù)責(zé)射頻的RRU通過光纖拉遠(yuǎn)的架構(gòu)，但由于機(jī)房站址資源日益稀缺和高成本，將BBU集中設(shè)置以節(jié)省機(jī)房的需求越來越強(qiáng)烈，同時(shí)也要求對(duì)基帶資源共享、集中調(diào)度等功能的實(shí)現(xiàn)。

由于基帶信號(hào)對(duì)帶寬和各項(xiàng)處理資源的消耗很大，現(xiàn)有芯片和背板處理速度根本無法實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的基帶資源集中調(diào)度和共享，同時(shí)在散熱、功耗等方面也面臨很大挑戰(zhàn)。

若采用石墨烯材料，不但芯片處理能力、數(shù)據(jù)交換速率能得到大幅提升，石墨烯良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電和耐溫特性也使得在散熱、功耗方面的要求降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)處理能力達(dá)到上萬載頻的集中式基帶資源池。

目前，不少研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)開始將石墨烯技術(shù)應(yīng)用到半導(dǎo)體領(lǐng)域了。諸如，新加坡南洋理工大學(xué)開發(fā)的敏感度是普通傳感器1000倍的石墨烯光傳感器;美國(guó)哥倫比亞大學(xué)研發(fā)出的石墨烯-硅光電混合芯片;IBM研究人員開發(fā)出的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管等等，都為石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用指明了方向。

2016年，全球半導(dǎo)體銷售額達(dá)到最高，為3390億美元。與此同時(shí)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在芯片上的投入約為72億美元，作為微電子元件的基板，這些芯片可以用來制作晶體管、發(fā)光半導(dǎo)體和其他電子元器件。

在半導(dǎo)體銷售額不斷增長(zhǎng)的今天，如何能夠更好的減少的隨之而來的在半導(dǎo)體芯片方面的投入是未來不得不面對(duì)的問題。目前很多廠商和研究機(jī)構(gòu)都在尋找新的方法。

近日，由麻省理工學(xué)院的工程師研制的一種新技術(shù)，可以大大減少晶圓技術(shù)的投入，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝相比，這種技術(shù)能夠使設(shè)備更加多元化和更高的性能。

在《自然》雜志上公布的這項(xiàng)新技術(shù)使用的是石墨烯材料——單原子層石墨——就如同復(fù)制機(jī)器一般能夠?qū)⒌讓拥牟牧闲阅軓?fù)制到頂層。

什么是石墨烯材料

石墨烯是一種二維晶體，人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。

自從石墨烯在2003年被發(fā)現(xiàn)以來，研究者發(fā)現(xiàn)它具有優(yōu)異的強(qiáng)度、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。最后一種性質(zhì)使得這種材料非常適合用來制作電路中的微小接觸點(diǎn)，但最理想是用石墨烯自己制成電子元件——特別是晶體管。

要做到這點(diǎn)，石墨烯不僅需要充當(dāng)導(dǎo)體，也要有半導(dǎo)體的功能，這是電子元件需要進(jìn)行的通斷切換操作的關(guān)鍵。半導(dǎo)體由其帶隙所定義的，帶隙指的是激發(fā)一個(gè)電子，讓它從不能導(dǎo)電的價(jià)帶躍遷到可以導(dǎo)電的導(dǎo)帶所需要的能量。帶隙必須足夠大，這樣來使得晶體管開和關(guān)之間的狀態(tài)才對(duì)比明顯，這樣它才能準(zhǔn)確無誤地處理信息。

常規(guī)的石墨烯是沒有帶隙的——它特殊的波紋狀價(jià)帶和導(dǎo)帶實(shí)際上是連在一起的，這使得它更像是金屬。盡管如此，科學(xué)家們?cè)噲D分開這兩個(gè)帶。通過把石墨烯制造成奇特的形狀，如帶狀，目前最高可以讓帶隙達(dá)到100meV，但這對(duì)電子工程應(yīng)用來說還是太小了。

相對(duì)于通過前端設(shè)計(jì)提升微結(jié)構(gòu)來提高芯片性能，通過后端設(shè)計(jì)來提升主頻顯然更加簡(jiǎn)單粗暴，研發(fā)周期也更短(微結(jié)構(gòu)研發(fā)一般要3年)，更適合商業(yè)推廣。

硅基材料集成電路主頻越高，熱量也隨之提高，并最終撞上功耗墻。目前硅基芯片最高的頻率是在液氮環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的8.4G，日常使用的桌面芯片主頻基本在3G到4G，筆記本電腦為了控制CPU功耗，主頻普遍控制在2G到3G之間。

但如果使用石墨烯材料，那么結(jié)果就可能不同了。因?yàn)橄鄬?duì)于現(xiàn)在普遍使用的硅基材料，石墨烯在室溫下?lián)碛?0倍的高載流子遷移率，同時(shí)具有非常好的導(dǎo)熱性能，芯片的主頻理論上可以達(dá)到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實(shí)驗(yàn)室中的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管主頻達(dá)155G。

因此，在前端設(shè)計(jì)水平相當(dāng)?shù)那闆r下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能強(qiáng)幾十倍，隨著技術(shù)發(fā)展，進(jìn)一步挖掘潛力，性能可能會(huì)是傳統(tǒng)硅基芯片的上百倍!同時(shí)還擁有更低的功耗。

石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用