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中国石墨烯制造已领先,为何华为还要和英国合作  

2015-10-22 21:26:21|  分类: 新闻新事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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中国石墨烯制造已领先,为何华为还要和英国合作

随着xi主席抵达英国开启为期4天的国事访问,华为也将和英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所签署石墨烯研究项目。虽然英国科学家最早成功制备石墨烯,曼切斯特大学可说是石墨烯的故乡,但中国石墨烯制造已处于世界领先地位,那为何华为还要去和英国人合作呢?

这要从华为在英国已经取得的成功说起。

华为在英国

自2001年华为在英国设立了第一个办事机构以来,华为就与英国公司和研究机构开展了广泛的合作:与沃达丰集团成为合作伙伴,并于唐宁街10号签署战略合作伙伴关系的协议;与英国移动通信运营商EE成为战略合作伙伴;与英国情报机关“政府通信总部”合作,在牛津郡设立了网络安全设施,确保华为在英国出售的电子设备安全可靠;与英国萨里大学达成第五代移动通信系统技术科研合作,在萨里大学创建5G创新中心。

在投资方面华为也堪称大手笔——华为在雷丁绿园橡树南路300号设立英国分公司总部,在布里斯托尔开设新的科研中心,先后收购了集成光子中心、Neil等科技公司,并加大对这些公司的资金输入力度,扩大公司的规模,进而使华为在英国的科研投入从2012年的3060万英镑扩大至2014年的7840万英镑。从2012年至今,华为已完成对英国投资和采购金额达10.2亿英镑,到2017年,采购与投资总额或超14亿英镑。

在经济贡献方面,华为在2012年至2014年三年期间,华为对英国经济的贡献为9.56亿英镑,其中包括2.31亿英镑的直接经济贡献、4.35亿英镑的间接贡献以及2.90亿英镑的伴生经济贡献,另外产生约4.11亿英镑的英国税收。

此外,华为还为英国带来了庞大的社会效益。华为不仅通过在英设立科研机构、并购英国公司直接为当地提供了1000余个高收入科研就业岗位,还通过遍布英国15个地区的采购和供应商渠道间接为英国提供了7000多个就业岗位。更重要的是,华为提供的这些就业岗位不是血汗工厂,全都是优质就业岗位——2014年华为员工人均产值为9.98万英镑,大幅高于英国均值的4.38万英镑。

难怪,英国官员们常把华为在英国投资、运营、扩张以及科研投入的故事作为案例,反映中英经济科技合作的深度。

英国为何需要华为

过去5年,中国在英投资每年平均增长85%。2014年,中国对英直接投资新增51亿美元,投资存量达400多亿美元,在英国的投资已占到中国对欧洲总投资的三分之一。按目前的趋势看,未来10年,中国对英国的投资将达1624亿美元。

2014年,英国政府提出“北方经济引擎”计划。若要重振北部曼彻斯特、利物浦等老工业城市,未来10年在基础设施建设、房地产、科研投资、高端制造产业等方面的资金缺口将高达5000亿英镑,无论是巨额资金投资,还是大规模基础设施建设,英国很可能需要中国的帮助。

因此,华为与英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所即将签署的石墨烯研究项目在上述背景下就颇具深意了。对中国而言,该项目既可以学习吸收国外优秀智力成果,缩小和西方的技术差距,又能避免过剩的美元在不断贬值中造成财富缩水。对英国而言,该项目能吸引中国投资,是助推英国“北方经济引擎”计划的一部分,成为英国实现振兴北方地区必然选择,也将帮助英国经济走出当下低迷状态。

石墨烯是替代硅的理想材料

石墨烯为什么这么重要?

石墨烯是由碳原子组成的单层石墨——最早的石墨烯就是用胶带一层一层地把石墨变薄而获得的,是只有一个碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。具有非常好的导热性、电导性、透光性,而且具有高强度、超轻薄、超大比表面积等特性,广泛应用于锂离子电池电极材料、太阳能电池电极材料、薄膜晶体管制备、传感器、半导体器件、复合材料制备、透明显示触摸屏、透明电极等方面。

相对于通过前端设计提升微结构来提高芯片性能,通过后端设计来提升主频显然更加简单粗暴,研发周期也更短(微结构研发一般要3年),更适合商业推广。

硅基材料集成电路主频越高,热量也随之提高,并最终撞上功耗墙。目前硅基芯片最高的频率是在液氮环境下实现的8.4G,日常使用的桌面芯片主频基本在3G到4G,笔记本电脑为了控制CPU功耗,主频普遍控制在2G到3G之间。

但如果使用石墨烯材料,那么结果就可能不同了。因为相对于现在普遍使用的硅基材料,石墨烯在室温下拥有10倍的高载流子迁移率,同时具有非常好的导热性能,芯片的主频理论上可以达到300G,并且有比硅基芯片更低的功耗——早在几年前,IBM在实验室中的石墨烯场效应晶体管主频达155G。

因此,在前端设计水平相当的情况下,使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能强几十倍,随着技术发展,进一步挖掘潜力,性能可能会是传统硅基芯片的上百倍!同时还拥有更低的功耗。

石墨烯在通信领域的应用

也许有人要说,华为是做通信的,又不是卖CPU的,芯片性能强关通信什么事啊?

其实,通信产品里有大量芯片,基站设备的DSP,路由器、调制解调器、交换机、手机等产品都需要芯片,而性能更强的芯片也就意味着更强的数据处理能力,意味着更快的通讯速度。

举例来说,目前主流的4G系统基站虽然已经采用了负责基带处理的BBU+负责射频的RRU通过光纤拉远的架构,但由于机房站址资源日益稀缺和高成本,将BBU集中设置以节省机房的需求越来越强烈,同时也要求对基带资源共享、集中调度等功能的实现。

由于基带信号对带宽和各项处理资源的消耗很大,现有芯片和背板处理速度根本无法实现更大规模的基带资源集中调度和共享,同时在散热、功耗等方面也面临很大挑战。

若采用石墨烯材料,不但芯片处理能力、数据交换速率能得到大幅提升,石墨烯良好的导热、导电和耐温特性也使得在散热、功耗方面的要求降低,进而实现处理能力达到上万载频的集中式基带资源池。

未来无线通信技术无疑以满足高速数据业务为主,而传统的宏蜂窝技术已经无法满足应用,必然走向宏微结合的异构网络架构,引入大量smell cell 网元以满足室内以及热点场景的覆盖和容量需求,如微站、Femto。

但随着这些网元的引入,改变了原有宏站的网络拓扑结构,产生大量新的干扰场景,必须通过引入各种站间、宏微协同等技术予以消除,比如采用协同多点传送和接收技术,但会带来各种协同算法加载后的大量复杂计算对资源的消耗,而基于石墨烯材料的基带芯片大量应用,其强悍的运算能力将使这些原本需要海量运算能力的技术和算法具有可操作性。

石墨烯也可以作为天线的材料。美国佐治亚理工学院无线宽带网络实验室提出石墨烯无线天线构想,该构想中,由石墨烯制成的天线以1000GHz的频率正常工作,远超目前常规的天线。如果这个构想成为现实,那么就意味着更多高频段的频谱资源可以被开发出来用于未来的无线通信系统,从而提供更大的系统带宽和吞吐速率。

未来,5G通信的特性就是“万物互联”,具有热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠等特点——在人口密集区为用户提供1Gbps用户体验速率和10Gbps峰值速率;具备超千亿网络连接的支持能力,满足100万/km2连接数密度指标要求;在车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求,为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。

因此,大规模天线阵列、超密集组网、新型多址技术和全频谱接入等技术就成为5G无线技术的发展方向,而这都离不开石墨烯材料的广泛应用。同时,手机要拥有更强的续航能力,更快的运算速度,更好的拍照效果,更快的上网速度,更好的屏幕显示效果也离不开石墨烯。相信这也是任正非在多次讲话中都无比重视石墨烯的原由所在。

石墨烯材料对手机意义重大

对于华为这几年的另一项拳头产品——手机来说,石墨烯更能带来翻天覆地的变化:

手机中有大量的芯片,比如音频芯片、视频芯片、电源管理芯片、能够获得更好拍照效果的ISP芯片、WIFI芯片、CPU、GPU、基带(某些厂商可能会将这些芯片集成为SOC)等等,如果这些芯片都使用石墨烯材料制造,那么手机芯片的性能将会大幅提升,同时功耗将大幅下降。

一直以来,智能手机的续航能力饱受诟病。如果将石墨烯用于电池的两极,续航能力会是普通电池的十多倍,智能手机一天一充将成为历史,充电宝也将被新技术所淘汰。如果用石墨烯制作电容装置,它的充放电速度是锂电池100倍——1000倍,几分钟就能完成智能手机充电。

石墨烯具有轻、薄、几乎完全透光、强度大、柔韧性好等特点,和现在的手机屏幕相比,不仅更薄、透光性更好,而且还具有更好的韧性,更不容易破损,甚至还能做成能够卷起的柔性屏幕。因此,石墨烯屏幕比现在用的屏幕拥有更好的用户体验。

石墨烯仅吸收2.3%的光,并使所有光谱的光均匀地通过,具有非常好的透光性。因此它还是优质的感光元件的制造材料,使用石墨烯制造的感光元件,不仅更薄,还更便宜——如果量产,成本仅为传统感光元件的五分之一。据新加坡一个科研团队展示的科研成果,石墨烯感光元件的性能比传统传感器强1000倍——在昏暗的光线环境中, 这类传感器依然能够捕捉到较为清晰的物体影像。

可以想象如果华为手机采用了石墨烯技术,那么,手机将发生一次革命,正如同智能机对功能机的革命。

中国石墨烯制造处于世界领先地位

也许有人会说这么好的东西,那价格铁定死贵啊,我等老百姓何时才能用上啊……

其实石墨烯一点也不贵,因为全球第一条和第二条真正实现规模化、低成本、高品质的石墨烯生产线就在中国!在2013年底,宁波墨西科技有限公司和重庆墨希科技有限公司先后建成年产300吨石墨烯生产线和年产100万平米的生产能力的石墨烯薄膜生产线,并将石墨烯的制造成本从每克5000元降至每克3元。

今年年初,浙大教授高超成功研发了一种新型、廉价、无毒的铁系氧化剂,使石墨烯制备过程快、成本低、无污染,适用于工业化大规模制备。《自然—通讯》审稿人对该技术的评价是“该方法对石墨烯未来的进一步应用具有重要意义。”

在石墨烯的应用上,中国研究人员也已拿出了有分量的成果。中科院重庆绿色智能技术研究院成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯显示屏,该项技术被应用于今年上市的一款名为“开拓者α”的手机,该手机在采用由中国科学院重庆绿色智能技术研究院和中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发的石墨烯触摸屏、电池和导热膜等新材料后,手机触控屏幕不偏色不泛黄,色彩真实、纯净,通透性也比传统屏幕好,手机充电速率提高了40%,电池寿命延长了50%,电池的能量密度也增加10%。

为何华为要去和英国人合作

既然中国石墨烯制造处于世界领先地位,那为何华为要去和英国人合作呢?

国内研究所和企业虽然也有电容、触控屏、涂料、导热材料、复合材料等产品,但更偏重石墨烯制造,是原材料生产厂商。

要将石墨烯用于电池电极材料、薄膜晶体管制备、传感器、半导体器件、复合材料制备,单凭能制造石墨烯显然是不行的。举例来说,要将石墨烯用于芯片制造,就必须在石墨烯—硅之间嵌入肖特基管。目前,还未听闻有国内企业在这方面有比较成熟的技术和产品。

而英国曼彻斯特大学的海姆和诺沃肖洛夫早在2004年就用胶带纸粘贴法成功制备石墨烯,海姆和诺沃肖洛夫也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。目前,由两人提出的胶带纸粘贴法演化而来的机械剥离法已成为实验室制备石墨烯的一种常用方法。

作为最早成功制备石墨烯的机构,英国曼彻斯特大学一直深耕于该领域,不仅有较深的技术积累,更是全球石墨烯科研活动的中心。

今年的“石墨烯周”活动中,来自近40个国家的650多名科学家和产业界人士出席了该校这项活动,举办90场专家会议,涵盖的15个主题涉及石墨烯及相关二维材料和异质结构、72人次口头报告和350个招贴海报。足见曼彻斯特大学在该领域的学术之活跃。

在资金方面,英国政府对曼彻斯特大学也是予取予求——投资6100万英镑于2015年春建成曼彻斯特大学石墨烯研究院着力于打造新的尖端石墨烯研究设施,以开发和维持英国在石墨烯及有关2-D材料方面的世界领先地位。

从科研成果转化来说,选择曼彻斯特大学进行合作也早有可借鉴的经验。已有超过35个来自世界各地的企业选择与曼彻斯特大学合作与石墨烯有关的项目,这不仅让曼彻斯特大学合作从合作伙伴手中获得4亿英镑科研经费,更将实验室的技术成果转化成商品。

所以,华为选择与英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所进行合作,既能利用此前在英国大量科研投入的基础和经验,又能在成果转化上具备国际视野,这项投资将让这家中国巨头站到世界石墨烯科研的最前沿。


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