$天奈科技(SH688116)$ 碳基芯片：中国半导体产业"换道超车"的关键路径
一、背景与现状：碳基芯片的战略意义
1.1 全球芯片产业面临的技术瓶颈
随着硅基芯片技术接近物理极限，全球半导体产业正面临前所未有的挑战。当前最先进的硅基芯片制程已达到2纳米，接近硅材料的物理极限，进一步缩小尺寸将面临量子隧穿效应等难以克服的技术障碍 。此外，硅基芯片在高频、高温和高功率应用场景中存在固有局限，如电子迁移率较低、功耗较高等问题 。这些挑战使得全球半导体产业亟需寻找替代技术路径，碳基芯片作为最具潜力的下一代半导体技术之一，正逐渐成为全球研发焦点。
1.2 中国半导体产业的突围需求
在全球芯片产业格局中，中国长期面临"卡脖子"困境。美国及其盟友通过出口管制、技术封锁等手段，限制中国获取先进芯片制造技术和设备，尤其是高端光刻机等关键设备的禁运，严重制约了中国半导体产业的发展。在此背景下，碳基芯片成为中国实现半导体产业自主可控甚至超越式发展的重要路径之一。2025年8月，工信部表示将推动GPU芯片的突破，进一步凸显了国家对半导体产业自主创新的高度重视 。
1.3 碳基芯片的技术优势与潜力
碳基芯片是以碳纳米管、石墨烯等碳材料为核心的半导体技术，具有多项超越硅基芯片的优势：
1. 卓越的电学性能：碳纳米管的电子迁移率比硅高出一个数量级，理论上可达100,000 cm²/V·s以上，而硅的电子迁移率仅为约1600 cm²/V·s 。
2. 更低的功耗：碳基芯片的功耗仅为硅基芯片的1/10，这对于移动设备和数据中心等高能耗场景具有重大意义 。
3. 更高的集成度：碳基芯片可以实现晶体管的三维集成，突破摩尔定律的"天花板"，理论上具有更高的性能潜力 。
4. 制程优势：碳基芯片可以绕过最先进的光刻机限制，如28纳米碳基芯片就相当于7纳米硅基芯片的性能 。
5. 材料特性：碳纳米管具有优异的化学稳定性、热导率和机械性能，热导率高达3500 W/m·K，高于金刚石，抗张强度是高强度钢的22倍 。
这些特性使得碳基芯片在高频通信、高性能计算、低功耗电子设备等领域具有广阔的应用前景 。
二、中国碳基芯片发展的政策支持体系
2.1 国家战略层面的高度重视
中国政府已将碳基芯片技术提升到国家战略层面，给予持续的政策和资金支持 。近年来，中国出台了一系列支持碳基半导体材料和器件发展的政策文件：
1. **《国家集成电路产业发展推进纲要》**的持续推动，为碳基芯片发展提供了顶层设计保障 。
2. "十四五"新材料规划明确将碳基半导体列入首批次应用示范目录，2023-2025年专项补贴总额超50亿元 。
3. **《十四五新材料产业发展规划》**将碳基集成电路列为"前沿材料重大专项"，2024年中央财政专项资金拨付22.7亿元，带动地方配套资金超50亿元，重点支持上海微电子等企业的光刻设备适配性改造 。
4. **国家发改委《十四五数字经济规划》**明确将碳基材料列为"颠覆性技术"重点攻关方向，2024年中央财政专项拨款达47亿元用于碳基半导体研发，带动地方政府配套资金超过90亿元，形成北京、上海、深圳三大产业集群 。
5. 国家科技重大专项投入超120亿元支持碳基芯片研发，长三角地区形成涵盖设计、制造、封测的完整产业集群，2025年区域产值预计占全国58% 。
这些政策措施为中国碳基芯片产业发展提供了强有力的制度保障和资源支持。
2.2 地方政府的积极响应与配套措施
各地方政府积极响应国家战略，纷纷出台配套政策支持碳基芯片产业发展：
1. 广东省在《广东省培育半导体及集成电路战略性新兴产业集群行动计划(2023-2025年)》中明确提出"密切跟进碳基芯片技术发展"，支持提前部署相关前沿技术、颠覆性技术 。
2. 重庆市发布了《重庆市未来产业标志性产品名单》，将碳基芯片相关产品纳入未来产业发展重点 。重庆市政府还通过绿色贷款等金融工具支持碳基芯片产业发展，截至2025年6月末，重庆市绿色贷款余额突破1万亿元，为碳基芯片等绿色产业提供了充足的资金支持 。
3. 长三角一体化示范区实施"碳芯十条"税收优惠，研发费用加计扣除比例提高至150% 。
4. 苏州市出台《纳米产业倍增计划》，对碳基芯片企业给予15%的所得税减免，并设立50亿元专项基金支持设备采购 。
5. 财政部最新出台的《集成电路产业税收优惠目录》将碳基芯片研发费用加计扣除比例提高至200%，显著降低了企业研发成本 。
这些地方政策形成了多层次、全方位的支持体系，为碳基芯片产业发展创造了良好的区域环境。
2.3 资金投入与产业基金的引导作用
中国政府通过多种渠道为碳基芯片产业提供资金支持，形成了多元化的投入机制：
1. 国家科技重大专项"碳基集成电路"二期工程追加投入87亿元，重点攻克晶圆缺陷检测等12项卡脖子技术 。
2. 国家制造业转型升级基金已定向投入120亿元用于碳基芯片产能扩张，预计到2030年将带动社会资本形成合计超过500亿元的投资规模，使全国总产能突破120万片/年 。
3. 国家科技重大专项"碳基电子器件基础研究"项目累计投入23.6亿元，带动社会资本超80亿元，长三角和粤港澳大湾区已建成4个碳基芯片创新中心，形成产学研协同创新网络 。
4. 国家集成电路产业投资基金三期拟投入120亿元专项支持碳基半导体材料与器件研发，北京、上海、深圳三地已建成碳基芯片中试基地，2025年计划扩产至15万片/年产能 。
5. **国家发改委在《十四五数字经济规划》**中明确将碳基材料列为"颠覆性技术"重点攻关方向，2024年中央财政专项拨款达47亿元用于碳基半导体研发，带动地方政府配套资金超过90亿元 。
这些资金投入不仅为碳基芯片研发提供了直接支持，还通过产业基金引导社会资本进入，形成了多元化的投融资体系。
三、中国碳基芯片的技术突破与产业化进展
3.1 材料制备技术的重大突破
碳基芯片的核心材料是碳纳米管和石墨烯，中国在这些材料的制备技术上已取得世界领先的突破：
1. 高纯度碳纳米管制备技术：经过20多年攻关，北大碳基团队研发出一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法，达到世界领先水平 。该技术能够制备出高纯度、大面积均匀的单手性碳纳米管阵列，为碳基芯片制造奠定了材料基础 。
2. 石墨烯晶圆制备技术：中国科学家在石墨烯制备技术上也取得了重要进展，已实现大尺寸、高质量石墨烯薄膜的可控制备 。特别是在石墨烯晶圆的大尺寸制备、带隙调控及器件研究方面，中国研究团队处于国际前沿 。
3. 碳纳米管阵列晶圆技术：天奈科技与中科院苏州纳米所合作，成功构筑大面积均匀的单手性4英寸碳纳米管阵列晶圆，并制造出CMOS器件，为碳基芯片的产业化奠定了基础 。
这些材料制备技术的突破，使中国在碳基芯片的核心材料领域处于国际领先地位，为后续器件制造和电路集成提供了关键支撑。
3.2 器件制造与工艺技术的创新
在碳基芯片的器件制造和工艺技术方面，中国科研团队也取得了一系列创新成果：
1. 无掺杂CMOS技术：北大碳基团队开发的无掺杂碳纳米管晶体管技术，避免了传统掺杂工艺带来的性能波动和可靠性问题，实现了高性能、高一致性的碳基晶体管制造 。
2. 晶圆级制备技术：中国科学家已实现碳纳米管的晶圆级制备，能够在8英寸晶圆上制备高质量的碳纳米管阵列，为大规模生产碳基芯片提供了可能 。
3. 三维集成技术：有别于硅基芯片是晶体管的二维集成，碳基芯片能实现晶体管的三维集成，达到更高的集成度，在理论上具有更高的性能潜力，从而打破摩尔定律的"天花板" 。
4. 低功耗工艺技术：碳基芯片采用的工艺技术具有低功耗特性，其电子迁移率比硅快约10倍，功耗低、散热效果好，能够满足未来高性能计算和移动终端的需求 。
这些器件制造和工艺技术的创新，使中国在碳基芯片的关键工艺领域形成了自主知识产权，为产业化奠定了技术基础。
3.3 国内首条碳基集成电路生产线投运
2025年6月，国内首条碳基集成电路生产线在重庆投运，标志着碳基集成电路从实验室创新走向工程化应用迈出了坚实的第一步 ：
1. 生产线基本情况：该生产线位于西部科学城的北京大学重庆碳基集成电路研究院内，采用了碳纳米管作为核心材料，已开始量产90nm碳基晶圆 。
2. 技术特点与优势：这条生产线的突出特点是无需采用最先进的光刻工艺，其技术性能就能与当前最先进的硅基芯片相当。例如，28纳米碳基芯片就相当于7纳米硅基芯片 。这一特点使中国能够绕过光刻机给芯片制造带来的"卡脖子"问题。
3. 产能规划：该生产线目前已开始量产，团队规划在"十四五"时期，完成从器件设计、单步工艺、工艺集成到器件优化的全流程技术能力建设。在此基础上，"十五五"时期，独立打造28纳米碳基集成电路生产线，对标7纳米硅基集成电路性能，到2028年实现年产碳基晶圆10万片的目标 。
4. 应用领域拓展：随着生产线投运，碳基芯片也开始走向应用。基于碳基芯片开发的全球首款碳基手持式氢气检测仪，已经用于博世、庆铃等氢能源车，可满足快速检测漏气的需求 。
这条生产线的投运，是中国碳基芯片产业化进程中的重要里程碑，标志着中国碳基芯片已从实验室研究走向工程化生产，为后续大规模产业化奠定了基础。
3.4 碳基AI芯片的突破性进展
2025年3月，由北京大学彭练矛院士团队联合北京邮电大学研制的全球首款碳基AI芯片正式发布，这标志着半导体技术的重大飞跃：
1. 技术创新：该芯片基于高纯度碳纳米管（CNT）晶体管技术，实现了三态逻辑计算（0、1、2），突破了传统硅基芯片的二进制限制 。这种三态逻辑计算能够在相同硬件条件下处理更多信息，提高计算效率。
2. 性能表现：实验显示，该芯片在图像识别任务中准确率达100%，处理速度比传统硅基芯片提升3倍，能效比提高9倍 。特别是在模拟人脑神经元连接的神经网络中，表现出优异的性能。
3. 技术参数：该芯片采用无掺杂工艺，晶体管栅长仅5纳米，性能超越同尺寸硅基器件，功耗降低至硅基芯片的1/10 。这些性能指标表明，碳基芯片在特定应用领域已具备超越硅基芯片的能力。
4. 应用前景：彭练矛院士预测，若技术持续突破，碳基芯片有望在10-15年内成为主流，首先在高频、低功耗、抗辐射等领域替代硅基芯片，逐步拓展至消费电子、人工智能等领域 。
这款碳基AI芯片的问世，展示了中国在碳基芯片领域的创新能力和技术实力，为未来人工智能芯片的发展提供了新的技术路径。
四、中国碳基芯片的产业生态构建
4.1 产业联盟与创新平台建设
为推动碳基芯片产业发展，中国已建立了多层次的产业联盟和创新平台：
1. 碳基芯片产业联盟：2025世界半导体大会上，由中国牵头的碳基芯片产业联盟正式成立，吸纳了IBM、三星等国际巨头参与 。该联盟旨在整合产业链上下游资源，推动碳基芯片技术的研发和产业化。
2. 国家碳基集成电路技术创新中心：随着国家碳基集成电路技术创新中心的落地，从材料制备、器件设计到系统集成的碳基芯片技术体系也在不断完善，已申请专利436项 。该中心已成为中国碳基芯片领域的重要创新平台。
3. 北京大学重庆碳基集成电路研究院：该研究院于2023年11月在重庆西永微电园正式揭牌成立，致力于推动北大成果在渝转化，开展碳基集成电路工程化和产业化研究开发，孵化培育碳基集成电路全链条产业生态 。
4. 长三角和粤港澳大湾区创新中心：国家科技重大专项"碳基电子器件基础研究"项目带动社会资本超80亿元，在长三角和粤港澳大湾区已建成4个碳基芯片创新中心，形成产学研协同创新网络 。
这些产业联盟和创新平台的建设，促进了碳基芯片产业链上下游的协同创新，加速了技术成果的转化和产业化进程。