半导体芯片领域可另辟蹊径多向发力

芯片是整个信息产业的核心部件和基石，也是国家信息安全的最后屏障。目前我国芯片自给率仍然较低，核心芯片缺乏，高端技术长期被境外厂商控制，与发达国家的差距短时间难以逾越。据中国半导体协会统计，2019年我国芯片进口额超3000亿美元，但芯片自给率仅为30%左右。2020年已逾3500亿美元，达到原油进口量的2倍。不仅市场代价巨大，还面临严重“卡脖子”的风险，危及产业安全和国家安全。

目前芯片制作工艺大多采用基于硅基材料的集成电路技术，该项技术长期被国外厂商垄断。但硅基芯片的PN结从根本上限制了其发展潜能，目前的3nm制程已经逼近硅基芯片的物理极限，量子隧穿效应决定了其制程规模无法突破1nm。

随着5G时代的到来和人工智能产业的蓬勃发展，人工智能芯片逐步成为全球关注的新兴赛道。人工智能对芯片算力提出了更高要求，传统芯片制作工艺亟须从物理层面进行转型升级。新兴半导体材料的异军突起，将成为左右半导体芯片产业未来话语权的重要因素。全球人工智能芯片市场均尚属于萌芽阶段，虽然我国起步较晚，但暂未与发达国家拉开较大差距。

为推动半导体芯片产业实现换道超车，发挥关键核心技术攻关新型举国体制优势，建议大力研发四种新型芯片：

一是碳基半导体材料。使用碳基半导体制造芯片存在较大优势，碳晶体管的理论极限运行速度是硅晶体管的5-10倍，而功耗却只有后者的1/10。2020年5月，北京元芯碳基集成电路研究院突破了碳基半导体材料制备瓶颈。我国碳基材料率先研制成功，为碳晶体管的制作打下了坚实的基础，标志着我国碳基芯片制造领域处于科技的最前沿。

二是硅碳半导体材料。该材料综合硅基、碳基半导体的优秀品质，因为其独特的化学特性，硅碳半导体材料有着无可比拟的应用前景，主要应用于大功率、高温、高频和抗辐射的半导体器件上，比硅器件强很多，在5G、智能交通、新能源汽车和工业控制等市场大有可为。

三是第三代半导体材料。这是以SiC碳化硅和GaN氮化镓等为衬底材料，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件，在光电子和微电子领域具有重要的应用价值。目前，市场火热的5G基站、新能源汽车和快充等都是第三代半导体的重要应用领域。

四是发展光子芯片。光子芯片的计算介质是光子而非电子，有功耗低、运算频率高、抗电磁干扰能力强的优点，光子芯片的计算速度将是传统芯片速度的1000倍以上，抗电磁干扰的能力更为强大延迟更低。其不需要改变二进制计算机最底层的软件原理，适合线性计算，与未来人工智能和大数据发展方向相契合。目前主流光子芯片研究厂商仅将光子芯片作为电子芯片的补充，集成为光电子芯片，在单独制作和运用光子芯片方面暂未取得关键性技术突破。

（作者系广东省生态环境厅厅长）