碳纳米管能取代硅吗？超越摩尔定律的计算未来

原则上可以，但在可预见的未来，实践中不行。尽管碳纳米管（CNTs）具有远优于硅的电学性能，并已在实验室环境中用于构建可工作的处理器，但它们面临着巨大的制造和纯度挑战。这些障碍使得碳纳米管在未来十年内取代硅作为全球半导体产业的基础在商业上不可行。

核心问题不在于碳纳米管是否是晶体管的更好材料——在纳米尺度上，它们确实是。真正的挑战是克服硅完美成熟且规模化程度极高的制造生态系统所拥有的数万亿美元的先发优势。

动机：我们为何要超越硅

几十年来，科技产业一直由摩尔定律驱动——每两年芯片上的晶体管数量翻一番。这一进步是通过不断缩小硅晶体管实现的。然而，我们现在正接近这一过程的物理极限。

当硅元件缩小到仅几纳米时，一种称为量子隧穿的量子力学效应成为一个严重问题。电子可能通过晶体管的“关”开关（或栅极）泄漏，导致错误并浪费电能。这使得进一步的缩小变得越来越困难且效率低下。

甚至在我们达到绝对物理极限之前，热量就成为了主要的瓶颈。将更多的硅晶体管封装到小区域会产生巨大的热量。这种功率密度问题限制了芯片性能，远超我们物理蚀刻更小元件的能力。

碳纳米管是由碳原子组成的圆柱形分子，其尺寸极小——直径可窄至一纳米。它们是后硅电子学最有前途的候选材料之一。

碳纳米管可以以几乎零电阻的方式导电，这种特性被称为弹道输运。这意味着电子可以无散射地穿过它们，从而使晶体管的速度可能比硅晶体管快10倍，能耗仅为其十分之一。

由于其微小尺寸，碳纳米管理论上可以用于构建比硅能实现的任何器件都更小、更密集封装的晶体管和处理器。这可能重新启动摩尔定律的引擎。

碳纳米管也是优异的导热体。它们有效散热的能力是一个关键优势，有助于解决困扰高性能硅芯片的功率密度问题。

尽管碳纳米管在理论上是完美的，但从实验室演示到十亿晶体管商用芯片的道路却被巨大的实际挑战所阻碍。

碳纳米管可以形成两种类型：半导体型（可以开关）和金属型（始终导通）。对于处理器而言，你需要数十亿个纯半导体型碳纳米管。即使混合物中存在0.01%的金属杂质，也可能导致短路并使芯片报废。在工业规模上实现99.9999%的纯度仍然是一个未解决的问题。

现代芯片以近乎原子级的精度制造。硅制造允许数十亿个元件的完美放置。目前还没有任何技术能够以所需的密度和完美度在晶圆上放置和对齐数十亿个单独的碳纳米管。

如果无法有效地将电流导入和导出晶体管，那么晶体管就毫无用处。为宽度仅为纳米级的分子创建低电阻电接触是一个深刻的工程挑战。高接触电阻很容易抵消碳纳米管本身的固有性能优势。

最可能的未来不是完全替代，而是碳纳米管以专业方式增强硅。这种混合方法利用了两者的优点：硅的成熟制造和碳纳米管的独特性能。

最有前途的近期应用之一是将碳纳米管用作3D堆叠芯片中的垂直互连线。随着芯片制造商堆叠硅层以增加密度，连接它们的导线成为一个主要瓶颈。碳纳米管卓越的导电性使其成为这些连接的理想材料。

碳纳米管具有极高的表面积体积比，使其对环境极其敏感。这使得它们非常适合下一代化学和生物传感器，在这些应用中，大规模制造障碍不如独特性能那么关键。

理解这些材料的现状需要将理论潜力与商业现实区分开来。

计算领域的最终前进道路取决于掌握原子尺度的制造。