舉例來說，目前主流的4G系統基站雖然已經采用了負責基帶處理的BBU+負責射頻的RRU通過光纖拉遠的架構，但由于機房站址資源日益稀缺和高成本，將BBU集中設置以節省機房的需求越來越強烈，同時也要求對基帶資源共享、集中調度等功能的實現。

由于基帶信號對帶寬和各項處理資源的消耗很大，現有芯片和背板處理速度根本無法實現更大規模的基帶資源集中調度和共享，同時在散熱、功耗等方面也面臨很大挑戰。

若采用石墨烯材料，不但芯片處理能力、數據交換速率能得到大幅提升，石墨烯良好的導熱、導電和耐溫特性也使得在散熱、功耗方面的要求降低，進而實現處理能力達到上萬載頻的集中式基帶資源池。

目前，不少研究機構和企業已經開始將石墨烯技術應用到半導體領域了。諸如，新加坡南洋理工大學開發的敏感度是普通傳感器1000倍的石墨烯光傳感器;美國哥倫比亞大學研發出的石墨烯-硅光電混合芯片;IBM研究人員開發出的石墨烯場效應晶體管等等，都為石墨烯在半導體領域的應用指明了方向。

2016年，全球半導體銷售額達到最高，為3390億美元。與此同時，半導體產業在芯片上的投入約為72億美元，作為微電子元件的基板，這些芯片可以用來制作晶體管、發光半導體和其他電子元器件。

在半導體銷售額不斷增長的今天，如何能夠更好的減少的隨之而來的在半導體芯片方面的投入是未來不得不面對的問題。目前很多廠商和研究機構都在尋找新的方法。

近日，由麻省理工學院的工程師研制的一種新技術，可以大大減少晶圓技術的投入，與傳統的半導體工藝相比，這種技術能夠使設備更加多元化和更高的性能。

在《自然》雜志上公布的這項新技術使用的是石墨烯材料——單原子層石墨——就如同復制機器一般能夠將底層的材料性能復制到頂層。

什么是石墨烯材料

石墨烯是一種二維晶體，人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后，這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。

自從石墨烯在2003年被發現以來，研究者發現它具有優異的強度、導熱性和導電性。最后一種性質使得這種材料非常適合用來制作電路中的微小接觸點，但最理想是用石墨烯自己制成電子元件——特別是晶體管。

要做到這點，石墨烯不僅需要充當導體，也要有半導體的功能，這是電子元件需要進行的通斷切換操作的關鍵。半導體由其帶隙所定義的，帶隙指的是激發一個電子，讓它從不能導電的價帶躍遷到可以導電的導帶所需要的能量。帶隙必須足夠大，這樣來使得晶體管開和關之間的狀態才對比明顯，這樣它才能準確無誤地處理信息。

常規的石墨烯是沒有帶隙的——它特殊的波紋狀價帶和導帶實際上是連在一起的，這使得它更像是金屬。盡管如此，科學家們試圖分開這兩個帶。通過把石墨烯制造成奇特的形狀，如帶狀，目前最高可以讓帶隙達到100meV，但這對電子工程應用來說還是太小了。

相對于通過前端設計提升微結構來提高芯片性能，通過后端設計來提升主頻顯然更加簡單粗暴，研發周期也更短(微結構研發一般要3年)，更適合商業推廣。

硅基材料集成電路主頻越高，熱量也隨之提高，并最終撞上功耗墻。目前硅基芯片最高的頻率是在液氮環境下實現的8.4G，日常使用的桌面芯片主頻基本在3G到4G，筆記本電腦為了控制CPU功耗，主頻普遍控制在2G到3G之間。

但如果使用石墨烯材料，那么結果就可能不同了。因為相對于現在普遍使用的硅基材料，石墨烯在室溫下擁有10倍的高載流子遷移率，同時具有非常好的導熱性能，芯片的主頻理論上可以達到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實驗室中的石墨烯場效應晶體管主頻達155G。

因此，在前端設計水平相當的情況下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能強幾十倍，隨著技術發展，進一步挖掘潛力，性能可能會是傳統硅基芯片的上百倍!同時還擁有更低的功耗。

石墨烯在半導體領域的應用