当前，云计算、⼤数据、⼈⼯智能、个性化医疗和健康监控领域，以及未来数字化和智慧化的发展，都离不开芯⽚。毫不夸张地说，芯⽚就是现代技术的驱动⼒，没有芯⽚就没有中国未来的现代化。
集成电路芯⽚中最重要的部分是晶体管，做好芯⽚最终就是要把晶体管做好。过去100多年，晶体管产品主要是欧洲、美国企业在做，⽽我国基本没有相关贡献。在如今的后摩尔时代，中国科学家对于碳纳⽶管、⼆维半导体等新材料的研发及其在集成电路⽅⾯的应⽤，虽然已经做出了⼀些成就，但仍需加快追赶的步伐。
算⼒需求事关国家发展。⼈们常说，半导体的进程是1微⽶、0.7微⽶，以及常被提及的10纳⽶、7纳⽶、5纳⽶。
这些技术到底意味着什么？实际上，它们最早来⾃美国企业英特尔创始⼈之⼀⼽登·摩尔在1965年提出的摩尔定律。其核⼼内容是，集成电路上可以容纳的晶体管数⽬⼤约每经过18个⽉到24个⽉便会增加⼀倍。所谓的微⽶、纳⽶技术，即每升级⼀代，晶体管的数⽬就会增加⼀倍、⾯积⼤概缩⼩⼀半。但对于先进制程，如3纳⽶技术来说，⽬前仍存在挑战。
晶体管的栅电极⻓度⼤概需要⼗⼏纳⽶，这个量级并不会更⼩，否则就会产⽣隧穿等问题。因此，5纳⽶或3纳⽶现在基本是个符号，与器件的物理尺⼨⽆严格对应关系，代表着科技进步的⽅向。
上个世纪初以来，算⼒沿着并不⼗分严格的线性关系发展。美国⻉尔实验室在1947年发明晶体管之后，便⽤晶体管替代真空电⼦管制造电路，使算⼒⼤⼤增加。
算⼒的需求基本是按照线性⽅式增加，摩尔定律也是如此，我们对算⼒的要求和技术所能提供的算⼒，在过去基本是匹配的。但现在发⽣了⼀个⾮常⼤的变化，在2012年之前，算⼒每24个⽉增加⼀倍，后来变为三四个⽉增加⼀倍，2019年后发展到两个⽉增加⼀倍。今天，⼈们对算⼒的需求⼤幅提升。如何⽀撑算⼒快速发展的需求？这个问题决定着⼀个国家未来能否真正跟上发展的步伐。
半导体产业基本按照摩尔定律发展。
上世纪⼋九⼗年代，由于⽇本半导体快速发展，美国半导体⾏业经历了全球市场份额的重⼤损失。之后，美国通过“⼴场协议”等⼿段压制⽇本，使得美国经济在接下来的10年中反弹，并在1997年重新获得48%的全球市场，占据领导地位。2022年，逻辑、存储、模拟和微处理器占据了半导体⾏业领域78%的份额。
美国主要半导体企业如英特尔，在前沿研发的投⼊约占其营收的20%，⽽中国在半导体⾏业的投⼊⽐例不到欧美国家的⼀半。要改变这个现状，需要国家在其中发挥重要作⽤。同期，美国半导体市场份额占全球半导体50%左右，直接就业⼈数为30.7万。我国约占全球半导体市场份额的7%，但直接就业⼈数远远超过美国，亟须提⾼效率。当前我国缺乏的不是⼀般的半导体操作⼈员，⽽是真正能够改变现状的领军⼈才。
材料是芯⽚技术进步的主要推动⼒。晶体管是集成电路芯⽚中最重要的部分，对于逻辑电路来说，超过90%的现代芯⽚由场效应晶体管（FET）构成，后者分为电⼦型和空⽳型。这两类晶体管相当于⼈的两条腿，配对⼯作可以使⼈平衡、往前⾛得更快。虽然器件有⾮常多的种类，但最核⼼、最关键的并不多，只要把最重要的晶体管性能做好，就能够实现赶超。
本世纪以来，整个晶体管的尺⼨进⼊了亚100纳⽶技术⽔平，晶体管性能已不能简单地靠缩⼩体积来实现所需要的算⼒提升，材料的进步已经成为晶体管技术进步的主要推动⼒，需引⼊各种各样的新技术、新材料、新结构、新原理。但这样的组合⾮常复杂，例如7纳⽶晶体管制备需要2000多个步骤，使⽤了元素周期表上⼤概⼀半的元素，要想进⼀步改进⾮常困难。
总⽽⾔之，半导体集成电路⽬前的发展已经趋于饱和，⼀代和⼀代的差别⽇益缩⼩，只有靠新材料、新架构才能使其性能⼤幅提⾼。
未来，⾮硅基材料和可能发展的技术有很多。2009年，国际半导体技术蓝图（ITRS）路线图委员会（IRC）选择碳基纳⽶电⼦学作为重点关注和投资的技术。碳纳⽶管（1D）和传统硅（3D）以及⽯墨烯（2D）⽐较，电⼦有效质量是硅材料的1/3，速度是10倍。
IBM的“后硅时代”预测，碳纳⽶管技术的优势在于材料结构和物性优势，使碳纳⽶管晶体管实现⾼速、低功耗。更重要的是，碳纳⽶管的低温制备使得3D芯⽚制备成为可能，⽽3D芯⽚在结构理论上可将芯⽚的性能提⾼成百上千倍，特别是对于AI计算，最⾼可实现1900多倍的性能提升。
2007年，北京⼤学团队做出第⼀个超越硅的电⼦型晶体管，之后该团队花费约10年时间把当时的90纳⽶器件做到亚10纳⽶，碳纳⽶管直径约1.3纳⽶，⽤0.4伏电压驱动，⽐硅基0.7伏电压驱动的性能还要好，不仅功耗降低很多，速度也提⾼了3倍左右。实现碳纳⽶管技术的前提是攻克包括碳纳⽶管材料在内的若⼲挑战性问题，该团队经过20年的努⼒，基本解决了这些问题，相关研究先后15次被ITRS报告引⽤。
未来，半导体技术的发展趋势是更强⼤的数字电⼦、更多样的功能。更多的功能包括碳基模拟、射频、红外、柔性等，更⾼的性能包括碳基数字电路等，更强⼤的碳基芯⽚则包括碳纳⽶管数字+模拟、射频、柔性、光电等。碳基电⼦在毫⽶波段和太赫兹波段的优势为速度更快、频带更宽、安全、不易被⼲扰。例如，⽬前中国5G技术主要使⽤亚6GHz频段，但⾮常拥挤。
5G技术的发展和未来的6G技术需要⼤量可⽤的连续频段，但这些频段只在90GHz之上才存在，⽽90GHz以上⽬前没有成熟的半导体技术。因此，发展能够⼯作在90GHz~300GHz的半导体技术变得愈发重要。未来，如何应对摩尔定律的终结，以及由此带来的材料与集成等问题，3D碳基芯⽚技术将是重中之重。碳基技术有望全⽅位冲击现有半导体产业格局。
但这⼀新技术要全⾯超越主流半导体技术，还需要社会和国家的参与与⽀持。