石墨烯在通信領域的應用

石墨烯是由碳原子組成的單層石墨 ——最早的石墨烯就是用膠帶一層一層地把石墨變薄而獲得的，是只有一個碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。具有非常好的導熱性、電導性、透光性，而且具有高強度、超輕薄、超大比表面積等特性，廣泛應用于鋰離子電池電極材料、太陽能電池電極材料、薄膜晶體管制備、傳感器、半導體器件、復合材料制備、透明顯示觸摸屏、透明電極等方面。

　　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。

　　其實，通信產品里有大量芯片，基站設備的DSP，路由器、調制解調器、交換機、手機等產品都需要芯片，而性能更強的芯片也就意味著更強的數據處理能力，意味著更快的通訊速度。

　　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。

　　未來無線通信技術無疑以滿足高速數據業務為主，而傳統的宏蜂窩技術已經無法滿足應用，必然走向宏微結合的異構網絡架構，引入大量 網元以滿足室內以及熱點場景的覆蓋和容量需求。

　　但隨著這些網元的引入，改變了原有宏站的網絡拓撲結構，產生大量新的干擾場景，必須通過引入各種站間、宏微協同等技術予以消除，比如采用協同多點傳送和接收技術，但會帶來各種協同算法加載后的大量復雜計算對資源的消耗，而基于石墨烯材料的基帶芯片大量應用，其強悍的運算能力將使這些原本需要海量運算能力的技術和算法具有可操作性。

　　石墨烯也可以作為天線的材料。美國佐治亞理工學院無線寬帶網絡實驗室提出石墨烯無線天線構想，該構想中，由石墨烯制成的天線以1000GHz的頻率正常工作，遠超目前常規的天線。如果這個構想成為現實，那么就意味著更多高頻段的頻譜資源可以被開發出來用于未來的無線通信系統，從而提供更大的系統帶寬和吞吐速率。

　　未來，5G通信的特性就是“萬物互聯”，具有熱點高容量、低功耗大連接、低時延高可靠等特點——在人口密集區為用戶提供1Gbps用戶體驗速率和 10Gbps峰值速率；具備超千億網絡連接的支持能力，滿足100萬/km2連接數密度指標要求；在車聯網、工業控制等垂直行業的特殊應用需求，為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業務可靠性保證。

　　因此，大規模天線陣列、超密集組網、新型多址技術和全頻譜接入等技術就成為5G無線技術的發展方向，而這都離不開石墨烯材料的廣泛應用。同時，手機要擁有更強的續航能力，更快的運算速度，更好的拍照效果，更快的上網速度，更好的屏幕顯示效果也離不開石墨烯。