碳基工艺优化工业以太网芯片性能可行性分析

　　刘泽华1，2　刘　骏1，2　王　龙1　任　畅1

　　（1.华北计算机系统工程研究所，北京 100083；2.中电智能科技有限公司，北京 102209）

　　摘要：目前，工业以太网控制及处理芯片全部采用硅基芯片，其协议主要有5种，分别是EtherCAT、EtherNet/IP、Sercos- III、ProfiNet、Powerlink等，通信速率为10/100Mbps。硅基工业以太网芯片在制造工艺、物理极性、材料等方面的发展逐渐接近极限，硅基工业以太网芯片通信性能及功耗很难进一步发展。碳基作为新型的半导体材料，拥有特别突出的本征材料以及电学机能等性能。经过大量实验和对实验数据的分析，表明碳基工艺半导体比传统半导体在综合性能上有5～10倍的提升，碳基工艺芯片具有很薄的导电通道、特别高的稳定特性及很高迁移率的载流子，该特性可使芯片的功耗大幅度降低。在碳基工艺芯片技术突破前提下，碳基工艺以太网芯片通信速率提升及功耗降低是可行的。

　　关键词：碳基；硅基；以太网 　　文献标识码：A 　　中图分类号：TQ127

　　文章编号：2096-4137（2023）06-111-03　　DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2023.06.37

　　工业以太网由于受到物理极性、材料、制造工艺等因素的限制，硅基工业以太网很难在性能及功耗上有进一步突破。而碳基工艺芯片具有很薄的导电通道、特别高的稳定特性及很高迁移率的载流子，并且其工艺非常简单，显著降低了芯片的功耗。研究表明，从通信性能上看，碳基工艺芯片性能是硅基芯片性能的10 倍多。如果碳基工艺半导体突破了晶体管室温亚阈值摆幅热发射理论极限，将会进一步降低芯片功耗。可见，碳基芯片工艺技术被打破的话，碳基工艺以太网芯片通信性能提升及功耗降低是可行的。

　　1　工业以太网芯片发展瓶颈

　　由于应用的特殊性，硅基工业以太网芯片的发展存在3 大瓶颈。

　　1.1　制造工艺

　　一般情况下，晶体管栅极越窄，电流通过时损耗越小，在同等芯片面积下植入较多的半导体，计算能力会越强大。所以，晶圆制造厂商不断提高技术，努力将栅极宽度变小。但是工艺的改进受到光刻技术的限制，很难进一步提升。

　　1.2　物理极限

　　当制造的芯片超出物理极限时，会出现量子效应，使芯片内部的PN 结出现不正常、不稳定的工作状态，无法显示0 和1 的状态。依据相对应的物理定律，硅基芯片尺寸最小只能为3nm，当硅基芯片尺寸小于3nm 时，硅基芯片就会因为晶体管热效应的限制而出现问题，即使体积继续缩小也不一定能容纳更多的晶体管，也就无法提高集成度和运算性能。

　　1.3　材料

　　因为硅基半导体在平均自由程、载流子迁移率、本征电容等方面都受到材料本身的限制，使得硅基半导体的性能及功耗的优化接近极限。随着先进技术的进步，集成电路和硅基半导体越来越接近其工艺制造极限和物理极限，世界上的半导体技术和设备正进入后摩尔时代。

　　2　碳基集成电路

　　碳基集成电路研发过程中最具代表性的结果是2019 年 Shulaker 团队研究的RV16X-NANO，它是全球第一个利用 RISC-V 控制命令集的碳基通用现代微处理器，可以运行标准地址32 位指令和16 位数据处理。微型中央处理器的功耗大致为969uW，在运行中它的频率是10kHz。它是目前最大的碳基工艺芯片，其尺寸与英特尔1985 年推出的Intel80386 处理器相同。

　　2.1　碳基材料

　　IBM 沃森（Watson） 研究中心从碳基的应用层面出发，在高性能集成电路方面进行了应用规划。以固定方向进行有序排列的碳基阵列是制造高性能集成电路的理想材料，而其中又以间距为5 ～ 10nm、纯度99.9999%、密度为 100 ～ 200 根/um 的碳基阵列为最佳。从碳基工艺阵列需要覆盖全晶圆范围，以便实现其产业化。

　　我国在碳基排列、碳基纯度控制及碳基密度控制方面也获得了长足的发展与进步。北大的彭练矛团队于2016 年研发了一种可以实现微米级的阵列排布方法，该方法被命名“蒸发诱导自组装”，通过定量表征，碳基排列管的偏振度平均值达到76.8%。该团队于2018 年期间再次研发出一种通过定向收缩，使随机排列的碳基薄膜形成排列密度很高的碳基管薄膜，该方法被定义为“薄膜定向收缩”法。收缩后，碳基管密度可达37 根/um，提纯后的碳基半导体型溶液纯度可达到99.9%，碳基的取向角变化控制在13°以内。

　　2.2　碳基集成电路主要优势

　　2.2.1　高能效（即功耗低与性能高）优势

　　碳基器件具有较长的平均自由程、高迁移率的载流子和较小的内部电容等属性，其综合性能和功耗在传统硅基器件的5 倍以上。仿真结果表明，基于碳基工艺的集成电路综合性能和功率优势是传统集成电路的50 倍。

　　2.2.2　对恶劣环境的强耐受性

　　具有较强的抗辐照性能是碳基器件的优势之一，与传统 SOI 芯片相比，新型碳基工艺芯片的抗辐照可达9Mrad，是传统芯片的30 多倍（300krad），碳基器件的抗单粒子辐照反转能力是普通芯片的20 倍。在最低-273℃、最高130℃的环境下，碳基芯片仍可正常工作。

　　2.2.3　器件的形态和功能丰富

　　得益于碳基材料的强机械柔韧性、高透光性以及基底高兼容性，在柔性、透明、瞬态等特殊芯片中可使用碳基工艺技术。此外，碳基工艺技术在各种功能器件也有应用，使其具备在不同使用场景和应用功能需求方面的高适应性，如传感、存储、逻辑器件、仿真电路等。

　　2.2.4　易于三维异构集成

　　在传统的三维硅基集成电路中，“热预算需求”成为最主要的难题，而碳基工艺芯片具有较低的生产温度和在工作时需要较低的功耗，这些特点使得这一难题的困难程度大大降低，进而增大了三维异构融合实现可能性。

　　2.2.5　工艺流程短、成本低

　　碳基工艺半导体晶体管不需要掺杂过程，可以利用载流子的注入控制碳基工艺半导体管实现通和断，对窄沟道效应提供优良的免疫力，并且亚五纳米的碳基晶体管可以通过一个简单的平面器件技术实现。与寻常的硅基技术相比，即使使用主流硅基工艺之前的技术来生产碳基集成电路，碳基集成电路也能与主流技术生产的硅基芯片性能相同。

　　3　碳基工艺以太网芯片性能分析

　　3.1　碳基工艺以太网芯片通信性能分析

　　从理论上来看，碳基晶体管是一种既具有较高性能又具有较低功耗特性的器件，经过实验测试和计算，它的优势是传统晶体管的5 ～ 10 倍。碳基工艺因为具备在温度较低的情况下也 能生产的能力，原理上能够在生产第一层半导体管并相互交换之后，再进一步生产密度更高、尺寸更小（100nm）的通信过孔，甚至能够生产第二层电路、多层电路，所以，有很大的可能性三维合成芯片。而从原理上分析计算的结果也表明，这套以碳基器件为基础的三维合一体系与传统计算体系比较，拥有一千倍的效率优势，而这些优势也充分展现了炭基的高性能潜力。

　　目前，硅基芯片在工业以太网上只能实现10/100M 通信性能，当前工业以太网在实时性和确定性上通过在拓扑上一主多从的方式实现，即一个时间片内只有一个主站发送数据帧，每个从站只接收数据，从而从根本上解决以太网数据帧碰撞问题。但是，此种方式随着从站数量的增加，在通信速率不变的情况下，每个从站通信时间变长，从而影响了整个工业以太网的通信速度，增加了从站I/O 的刷新时间。因此，在工业以太网协议快速发展的情况下，以及在使用碳基芯片实现 1G/10G 的通信速度前提下，可减少从站I/O 刷新时间，增加系统中从站数量，进而提升工业以太网芯片的通信速率性能。

　　3.2　碳基工艺以太 网芯片低功耗分析

　　采用碳基工艺的工业以太网芯片，要想降低电路功耗，比较理想的方法是让电路电压下降。目前，硅基CMOS（互补金属氧化物半导体）集成电路（14/10nm 技术节点）的工作电压降至0.7V，而受到MOS 晶体管的亚阈值摆幅（SS）的热激发限制（60mV/DEC），导致集成电路的工作电压无法降至0.64V 以下，但碳基芯片在试验中却能够实现约 40mV/DEC 的室温亚阈值摆幅。该晶体管的驱动电流可与 MOSFET（MetalOxide 半导体场效应晶体管）相媲美，它的 SS<60mV/DEC，其所跨的电流范围更大，在0.5V 工作电压下的开关态电流可与Intel 公司的14nm 工艺节点CMOS 器件（在0.7V 工作电压下）相媲美。

　　该项研究内容突破了晶体管室温亚阈值摆幅的热发射理论极限，给室温下能实现亚阈值摆幅小于60mV/DEC 的新型原理器件的研发提供了可能性依据，并且能保持传统MOS 晶体管的高性能，有望将集成电路的工作电压降低到0.5V 及以下，为3nm 以下技术节点的集成电路技术提供解决方案。从理论上证明了碳基芯片在低功耗应用上优于硅基芯片。

　　4　结语在碳元素提纯技术和碳纳米管排列技术成熟的前提下，

　　碳基芯片突破晶体管室温亚阈值摆幅的理论热发射极限，碳基工艺以太网芯片通信速率性能的提高和功耗的降低都是可行的，在理论上具有重大意义。作者简介：刘泽华（1986-），男，河北邯郸人，华北计算机

　　系统工程研究所中级工程师，研究方向：智能控制。

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　　（责任编辑：肖央然）