芯片是整個信息產業的核心部件和基石，也是國家信息安全的最后屏障。目前我國芯片自給率仍然較低，核心芯片缺乏，高端技術長期被境外廠商控制，與發達國家的差距短時間難以逾越。據中國半導體協會統計，2019年我國芯片進口額超3000億美元，但芯片自給率僅為30%左右。2020年已逾3500億美元，達到原油進口量的2倍。不僅市場代價巨大，還面臨嚴重“卡脖子”的風險，危及產業安全和國家安全。

目前芯片制作工藝大多采用基于硅基材料的集成電路技術，該項技術長期被國外廠商壟斷。但硅基芯片的PN結從根本上限制了其發展潛能，目前的3nm制程已經逼近硅基芯片的物理極限，量子隧穿效應決定了其制程規模無法突破1nm。

隨著5G時代的到來和人工智能產業的蓬勃發展，人工智能芯片逐步成為全球關注的新興賽道。人工智能對芯片算力提出了更高要求，傳統芯片制作工藝亟須從物理層面進行轉型升級。新興半導體材料的異軍突起，將成為左右半導體芯片產業未來話語權的重要因素。全球人工智能芯片市場均尚屬于萌芽階段，雖然我國起步較晚，但暫未與發達國家拉開較大差距。

為推動半導體芯片產業實現換道超車，發揮關鍵核心技術攻關新型舉國體制優勢，建議大力研發四種新型芯片：

一是碳基半導體材料。使用碳基半導體制造芯片存在較大優勢，碳晶體管的理論極限運行速度是硅晶體管的5-10倍，而功耗卻只有后者的1/10。2020年5月，北京元芯碳基集成電路研究院突破了碳基半導體材料制備瓶頸。我國碳基材料率先研制成功，為碳晶體管的制作打下了堅實的基礎，標志著我國碳基芯片制造領域處于科技的最前沿。

二是硅碳半導體材料。該材料綜合硅基、碳基半導體的優秀品質，因為其獨特的化學特性，硅碳半導體材料有著無可比擬的應用前景，主要應用于大功率、高溫、高頻和抗輻射的半導體器件上，比硅器件強很多，在5G、智能交通、新能源汽車和工業控制等市場大有可為。

三是第三代半導體材料。這是以SiC碳化硅和GaN氮化鎵等為襯底材料，具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率電子器件，在光電子和微電子領域具有重要的應用價值。目前，市場火熱的5G基站、新能源汽車和快充等都是第三代半導體的重要應用領域。

四是發展光子芯片。光子芯片的計算介質是光子而非電子，有功耗低、運算頻率高、抗電磁干擾能力強的優點，光子芯片的計算速度將是傳統芯片速度的1000倍以上，抗電磁干擾的能力更為強大延遲更低。其不需要改變二進制計算機最底層的軟件原理，適合線性計算，與未來人工智能和大數據發展方向相契合。目前主流光子芯片研究廠商僅將光子芯片作為電子芯片的補充，集成為光電子芯片，在單獨制作和運用光子芯片方面暫未取得關鍵性技術突破。

（作者系廣東省生態環境廳廳長）