早晨醒來第一件事（或任何時候）是不是拿手機看時間或看有沒有錯過電話短信微信等等刷存在感？如果是，請繼續(xù)看下去。
以下設(shè)備你用過多少種？手機、電腦/筆記本/平板電腦、機頂盒、電視機、打印機、微波爐、電熱水壺、洗衣機、冰箱、電子門禁、智能卡（比如智能公交卡、銀行借記卡/信用卡）、電梯、地鐵。如果答案不是零，你就應(yīng)該知道，這些設(shè)備有一個共同點：芯片是它們的核心或重要組件。并且，以上還只是一部分需要用到芯片的設(shè)備而已，并不是全部。——在我們有所覺察以前，芯片已經(jīng)無處不在。
如果說鋼鐵是工業(yè)時代的基石，那么信息時代的基石就是半導(dǎo)體材料，這是芯片的核心。因此，早在1990年代，中國就試圖打造屬于自己的芯片產(chǎn)業(yè)，但由于投資分散于130個加工廠、橫跨15省，一直未能形成協(xié)調(diào)的產(chǎn)業(yè)鏈。20余年后，進入21世紀(jì)第二個十年，由國務(wù)院牽頭，工信部、科技部、財政部、發(fā)改委這四大部委協(xié)作制定新的發(fā)展規(guī)劃和政策，決心振興芯片產(chǎn)業(yè)。與此前不同，這次參與規(guī)劃的除了國家部委，還有產(chǎn)業(yè)內(nèi)的龍頭企業(yè)，并由國務(wù)院副總理馬凱掛帥。
2014年6月，《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》（以下簡稱《綱要》）發(fā)布，集成電路產(chǎn)業(yè)作為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，被定義為支撐經(jīng)濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，9月，國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金成立，首期規(guī)模達到1200億元。為避免之前產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不成體系的的問題，此次政府明確了要聚焦于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)各個環(huán)節(jié)（設(shè)計，生產(chǎn)，加工，組裝，測試），并在每個環(huán)節(jié)培育龍頭企業(yè)。例如，中芯國際在北京經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)建立300mm生產(chǎn)線，由北京市經(jīng)信委、中科院微電子所和北京市政府共同投資12億美元。
對于中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，這是一個好的時代，也是一個壞的時代。
好的方面是，2015年，中國集成電路銷售收入接近3600億元，超過《綱要》的3500億元目標(biāo)。中國已經(jīng)成為世界最大半導(dǎo)體消費國，購買全球約45%的芯片，用于本國或出口的各類設(shè)備。因而跨國集團（從汽車，到工業(yè)控制，到生產(chǎn)設(shè)備）愿意較以往更多地在華設(shè)立設(shè)計中心，貼近用戶并更多地雇傭中國本地高水平研發(fā)人員。而隨著設(shè)計中心向中國遷移，中國很快就能影響全世界50%的半導(dǎo)體硬件設(shè)計。更重要的是，當(dāng)國際著名半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)，比如三星、臺積電、德州儀器等，陸續(xù)在中國建廠，中國就有機會借助它們理順自己的上下游產(chǎn)業(yè)鏈，使本地企業(yè)，比如上海華力微電子集團、中芯國際、武漢新芯等，均能從這樣一個國際水平高科技生態(tài)圈獲益。
壞的方面是，中國每年芯片消耗量巨大，且其中超過90%依賴進口。美國《財富》雜志今年2月報道，美國半導(dǎo)體三巨頭，英特爾、高通、蘋果，依舊占據(jù)3400億美元半導(dǎo)體年銷量的一半。路人皆知他們這一巨大優(yōu)勢在很大程度上源于他們掌握最先進的技術(shù)，但中國也有一個現(xiàn)象間接有利于他們維持優(yōu)勢地位：由于中國市場巨大，近年擴張速度快，且技術(shù)門檻較低，中國原始設(shè)備制造商（OEM）往往不愿意在技術(shù)創(chuàng)新上花力氣，更多地只看本土市場的銷售；數(shù)據(jù)顯示，2012年，中國OEM有54%產(chǎn)品是全新設(shè)計的，到了2016年，這一數(shù)據(jù)下降至28%，而同期為國際市場設(shè)計的產(chǎn)品比例也保持在較低的30%左右，這不是一個好的長期戰(zhàn)略。
在中國，盡管外資OEM和本土OEM的研發(fā)資金從2012年的1630億美元增至2015年的2280億美元，但麥肯錫2017年報告指出，這主要投入在IT和高科技產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)級研發(fā)和終產(chǎn)品設(shè)計（例如手機整機），作為制勝關(guān)鍵的最基本元器件研發(fā)沒有得到足夠重視。技術(shù)水平繼續(xù)落后世界領(lǐng)先水平5到6年。
2017年初，北京大學(xué)彭練矛教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊發(fā)表在科研界頂級期刊《科學(xué)》上的一項結(jié)果，證明中國人有能力扭轉(zhuǎn)這一現(xiàn)狀：他們用新材料（碳納米管）制造出芯片的最基本元器件——晶體管，其工作速度3倍于英特爾最先進的硅基商用器件，能耗卻只有對方的25%，且其他重要性能指標(biāo)也都占優(yōu)。同時，由碳晶體管打造的小規(guī)模集成電路也體現(xiàn)出優(yōu)于硅的性能，而晶體管的速度和能耗直接影響芯片的速度和能耗。如果將這一成果納入國家戰(zhàn)略，與國內(nèi)在芯片設(shè)計及加工等各方面的龍頭企業(yè)合作，聯(lián)手開發(fā)碳基芯片，那么，中國的芯片技術(shù)很可能實現(xiàn)換道超車。
我們是這樣分析的：成本方面，碳與硅同為地球上含量相當(dāng)豐富的元素，若按質(zhì)量算，碳的含量排第四位，硅排第八位，若按生產(chǎn)工藝算，碳基晶體管制備步驟僅為硅基晶體管的一半，碳基集成電路所需材料種類亦明顯少于硅基集成電路，這兩個特點均有助于降低生產(chǎn)成本，鞏固碳作為芯片材料的優(yōu)勢。
但有了換道超車的可能性只是一個起點，而盡管我們有了這樣好的一個起點，我們也意識到了工程化的困難。工程化之難，舉世公認(rèn)，以至于從實驗室到產(chǎn)品中間的這一環(huán)節(jié)得到了“死亡谷”的外號。
以英特爾為例，其在1968年成立之初，收到ArthurRock（美國資深投資人，是他為風(fēng)險投資命名）250萬美元投資。在經(jīng)歷4年虧損之后，于1972年開始盈利，逐步走出死亡谷。回顧1960、1970年代，恰是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的開端，銷售單個晶體管都可以盈利，像英特爾這樣由資深專家組建的公司尚且要花費四年時間才能開始盈利。時過境遷，如今的半導(dǎo)體行業(yè)競爭激烈，市場趨于飽和，利潤被不斷攤薄，麥肯錫分析，創(chuàng)業(yè)公司花個5年、10年甚至15年才開始盈利已是普遍現(xiàn)象。并且，由于過度競爭，造成投資回報率普遍低于投資人能接受的底線（8%）。因此，今天擺在我們面前的工程化死亡谷比起當(dāng)年更具有挑戰(zhàn)性，更加考驗我們的決心。
仍以英特爾為例，其從1968年創(chuàng)立到2015年的研發(fā)費用總計1257億美元。要想達成英特爾如今的成就，我們還有很長的路要走，因此我們建議，整合國內(nèi)企業(yè)和高校最先進的技術(shù)，共同解決芯片各個部分的開發(fā)。那么，在已然相當(dāng)龐大的硅帝國面前，碳芯片如何起步、如何發(fā)展？
首先，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)近年出現(xiàn)一些重要變化，給碳芯片提供了機遇。從1995到2008年，是美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的黃金時代，SOX指數(shù)（反映美國半導(dǎo)體行業(yè)變化）曾一度三倍于S&P500指數(shù)，展現(xiàn)出半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)優(yōu)于其他行業(yè)的競爭力。而從2008年到2014年，這優(yōu)勢消失，兩大指數(shù)十分接近，主要原因是手機和計算機需求量下降。但自2015年以來物聯(lián)網(wǎng)開始快速發(fā)展，創(chuàng)造出對各類傳感器及相關(guān)芯片的巨大需求，極有可能重振芯片產(chǎn)業(yè)：在國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟中，48%的成員認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)將是未來推動本產(chǎn)業(yè)排位前三甲的強大驅(qū)動力，17%的成員將其列為第一驅(qū)動力。
同時，物聯(lián)網(wǎng)要用到的傳感器中的芯片，其結(jié)構(gòu)較計算機和手機芯片要簡單得多，并且，這是一個全新的市場，固化尚未出現(xiàn)。具體到技術(shù)層面，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)最需要的創(chuàng)新在于更低的能耗和更長的電池壽命，因為更長的待機時間可以激發(fā)更多的需求和新的功能，而低能耗恰是碳芯片最厲害的特長之一。
從以上分析可見，物聯(lián)網(wǎng)傳感器芯片正適合成為碳芯片的切入點。
舉例：彭教授的團隊已在實驗室實現(xiàn)了碳材料的醫(yī)用傳感器，可以檢測血壓心跳和血糖等生化指標(biāo)，由于碳材料與人體存在高兼容性，且具有良好的柔韌性，這種傳感器可以完美貼合在皮膚上，而且可以做得很薄，讓人感覺不到它的存在，不會有異物感。這種傳感器同樣可以用于健身手環(huán)（fitnesstracker），其低功耗可以顯著延長手環(huán)續(xù)航時間。
再舉例：碳材料可以感光，用在夜視裝備上可以達到極高的清晰度，且對不發(fā)熱的物體也能成像，遠勝于紅外熱像儀，還可以在濃霧中成像，這使它在汽車輔助駕駛系統(tǒng)中大有用武之地，以及打造最適合智慧城市的監(jiān)控攝像頭。目前彭教授的團隊已在開發(fā)這項技術(shù)并取得重要進展。
重點是，在當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造的六大市場中（可穿戴智能傳感器，智能家庭應(yīng)用，醫(yī)療電子，工業(yè)自動化，汽車輔助駕駛，智慧城市），碳材料已經(jīng)確定可以切入其中四個。
大數(shù)據(jù)時代對數(shù)據(jù)中心的大量需求也是碳材料的切入點，因為碳材料存儲器功耗低，將顯著減小數(shù)據(jù)中心的巨額散熱費用。此外，NAND存儲器的3D化架構(gòu)也是碳材料的優(yōu)勢之一。不過這個方向或許不是很理想，因為存儲器行業(yè)一直存在供給過剩，大幅擠壓了利潤空間。隨著行業(yè)從25nm結(jié)點向20nm結(jié)點邁進，新一波的產(chǎn)能過剩已經(jīng)開始。
長久以來，整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)（芯片、存儲器等等）遵循摩爾定律，不斷縮小晶體管尺寸以提升性能，創(chuàng)造新的產(chǎn)品，已經(jīng)打造出一個年收入（稅前，利息前）2500億美元的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，包括芯片等半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)及相關(guān)的產(chǎn)業(yè)（例如芯片加工設(shè)備）。隨著摩爾定律即將到達終點，晶體管尺寸不能再縮小（已經(jīng)達到物理極限），整個生態(tài)圈所有的環(huán)節(jié)就面臨另謀出路的問題：過去，半導(dǎo)體企業(yè)爭的是更高的性能
和更快的技術(shù)升級，現(xiàn)在低成本成為區(qū)分成敗的標(biāo)尺。這里再次提出碳材料的第三大優(yōu)勢——低成本，可以認(rèn)為，誰先掌握碳芯片技術(shù)，誰就可能在新一輪角逐中勝出。
反觀近年來中國的半導(dǎo)體技術(shù)快速升級，主要靠巨額收購，但這種方法并不能帶來最新的技術(shù)。中國的汽車工業(yè)就是前車之鑒，強制外資車企與本地車企共享技術(shù)，結(jié)局卻是國內(nèi)車企嚴(yán)重依賴外資。2016年美韓等國相繼出臺政策法規(guī)阻止中國收購半導(dǎo)體核心技術(shù)，使收購之路更加行不通。
一個可資借鑒的例子是韓國三星如何從后趕上、一路發(fā)展成為現(xiàn)在具備芯片加工能力的三大頂級企業(yè)之一，他們靠的就是巨額研發(fā)投入外加人才引進，還有堅韌的耐心度過漫長的低收入階段。
也許有人認(rèn)為，用過時技術(shù)也能制造出某些芯片來滿足國內(nèi)市場需求（還要結(jié)合限制進口才能實現(xiàn)），但這不能讓我們在國際市場上形成競爭力。要記住，如同《經(jīng)濟學(xué)人》所說，半導(dǎo)體是這樣一個行業(yè)：排名第一第二的公司攫取全部利益，其他公司全部虧損。
關(guān)于碳基芯片的研發(fā)要不要走工程化環(huán)節(jié)、還是說停留在實驗室階段就算了，彭教授自己說了這樣一番話：若說看不到追趕國際先進企業(yè)的路也就罷了，現(xiàn)在已經(jīng)看得見前面有亮光，只是不確定循著亮光走下去這路會不會很崎嶇、很漫長，然而如果就此停步，真是我們想要的嗎？
——回想工業(yè)時代我們的前輩那么努力要擺脫鋼鐵的對外依存度，等到進入信息時代，我們反而不介意集成電路繼續(xù)依賴進口么？