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2023-01-31
院士彭練矛：20年堅守碳基芯片研發(fā)，讓中國芯“換道超車”
更新時間：2022-09-22 14:30:21作者：智慧百科
進入北京大學東南門，右手邊第一棟樓上“逸夫苑”三個大字跳入視野。彭練矛的辦公室就在這里。一整面墻都是書，不少是外文的，“國家自然科學二等獎”“2011年度中國科學十大進展”等多個金色獎牌隨意地擺放其間。
從2000年至今，北京大學電子學院教授彭練矛堅守在國產(chǎn)碳基芯片研究一線。在他看來，目前中國芯片產(chǎn)業(yè)鏈面臨著被“卡脖子”的狀況，關(guān)鍵因素是中國在芯片技術(shù)領(lǐng)域沒有核心技術(shù)和自主研發(fā)能力，從材料、設計到生產(chǎn)制備的全套技術(shù)中任何一個環(huán)節(jié)都沒能發(fā)揮主導作用。
而碳基電子將有望打破這種局面，實現(xiàn)由中國主導芯片技術(shù)的“換道超車”。
20年來，他帶領(lǐng)團隊研發(fā)出了整套碳基芯片技術(shù)，首次制備出性能接近理論極限，柵長僅5納米的碳納米管晶體管，實現(xiàn)了“從0到1”的突破，為中國芯片突破西方封鎖、開啟自主創(chuàng)新時代開辟了一條嶄新的道路。
“啟用新材料是解決芯片性能問題的根本出路”
作為電子產(chǎn)品的“心臟”，全球每年對芯片的需求已達萬億顆?！按蠹叶枷Ｍ娮釉O備的芯片速度更快、續(xù)航時間更長?！迸砭毭嬖V記者，碳基芯片技術(shù)的發(fā)展對于大眾生活有著廣泛而深遠的影響，5G技術(shù)的來臨將使城市變成“智慧城市”，健康醫(yī)療、可穿戴電子設備、物聯(lián)網(wǎng)和生物兼容性器件……這些都離不開海量的數(shù)據(jù)運算，需要有強大處理能力的芯片做支撐。
在傳統(tǒng)工藝下，這些芯片有著統(tǒng)一的核心材料，那就是硅。當前，硅基芯片已經(jīng)進入5納米時代，甚至在向2納米、1納米探索，這意味著，硅基芯片性能逼近物理極限。
步入21世紀以來，尋找能夠替代硅的芯片材料，成為熱門話題?！爱敃r整個學界都感覺到，硅基微電子實際上在走下坡路。學界會提前考慮，未來取代硅的材料會是什么？”彭練矛表示，傳統(tǒng)硅基芯片材料的潛力基本已被挖掘殆盡，無法滿足行業(yè)未來進一步發(fā)展的需要，啟用新材料是從根本上解決芯片性能問題的出路。
時值上世紀末，納米科技正在興起，碳納米管晶體管引起了不少科學家的關(guān)注。
碳納米管是1991年由日本科學家飯島澄男（S.Iijima）發(fā)現(xiàn)的?！疤荚影凑樟桥挪迹纬梢粋€單原子層，這就是石墨烯。而一個矩形的石墨烯條帶，長邊對接卷成一個卷，就變成碳納米管，直徑一般是一納米左右。碳納米管具有一些奇特的量子效應，使其電子學性能變得非常好，速度快、功耗低?！迸砭毭@樣描述這種新材料。
飯島澄男在上世紀70年代初師從考利（J.M.Cowley）進行博士后研究工作，從師門來講是彭練矛的大師兄，彭練矛就這樣認識了碳納米管。
在這之前，彭練矛在電子顯微學研究方面已經(jīng)積累了大量經(jīng)驗。1978年，高考恢復的第二年，年僅16歲的彭練矛走進燕園，成為“文革”后北大無線電電子學系招收的首屆學生。在恩師西門紀業(yè)教授的帶領(lǐng)下，他與電子顯微學結(jié)下了不解之緣。
1982年，彭練矛考取了北大電子物理碩士研究生，1983年，在西門紀業(yè)教授的鼓勵下，彭練矛前往亞利桑那州立大學美國國家高分辨電子顯微學中心攻讀博士學位，師從考利（J.M.Cowley）教授。隨后，彭練矛又先后前往挪威奧斯陸大學和英國牛津大學繼續(xù)從事電子衍射相關(guān)研究工作，在電子顯微學領(lǐng)域嶄露頭角。1994年，彭練矛回到祖國。
2000年，北京大學“組隊”，著手研究面向未來的電子學。當時彭練矛還不到40歲，他覺得自己“還有精力再做一件新的事情”。于是彭練矛帶領(lǐng)研究團隊，從零開始，探究用碳納米管材料制備集成電路的方法。
最初幾年是在不斷摸索中度過的。他們發(fā)現(xiàn)，碳納米管是做芯片最好的材料，“它的物理性能和化學性能、機械性能都非常適合做電子元器件。雖然沒有現(xiàn)成工藝可以遵循，但理論預測碳納米管芯片性能可以比現(xiàn)在硅基集成電路的綜合性能成百上千倍地提高。”
在摸索中，彭練矛團隊提出了用碳納米管來做集成電路的完整方案，“碳納米管擁有完美的結(jié)構(gòu)、超薄的導電通道、極高的載流子遷移率和穩(wěn)定性?；谔技{米管的電子技術(shù)有望成為后硅時代主流的集成電路技術(shù)?！?/p>
“已研發(fā)出目前世界上最好的芯片材料”
用碳納米管制備的碳基芯片的綜合性能可以比硅基集成電路提高成百上千倍，這已成學界的共識。但這只是理想狀態(tài)，如何讓它變?yōu)楝F(xiàn)實？對團隊來說，這個過程中碰到的大部分問題都是新的，“只能自己一一想辦法來解決?！迸砭毭寡?。
首先是突破材料瓶頸，掌握碳納米管制備技術(shù)。經(jīng)過十年的技術(shù)攻堅，課題組放棄了傳統(tǒng)摻雜工藝，研發(fā)了一整套高性能碳納米管晶體管的無摻雜制備方法。
碳納米管材料非常微小，肉眼不可見。彭練矛形容，人的一根頭發(fā)絲直徑差不多是幾十微米或幾萬納米，而這種材料的直徑是頭發(fā)絲的幾萬分之一。光學顯微鏡看不到，只能用電子顯微鏡來看，同時，還要操縱它，讓它按照一定秩序排列。怎么辦？
還好，彭練矛之前做過大量電子顯微鏡相關(guān)研究，對于觀察和操縱“小東西”有一定經(jīng)驗。2017年，團隊首次制備出柵長5納米的碳納米管晶體管，這一世界上迄今最小的高性能晶體管，在本征性能和功耗綜合指標上相較最先進的硅基器件具有約10倍的綜合優(yōu)勢，性能接近由量子力學測不準原理決定的理論極限。
2018年，團隊再次取得重要突破，發(fā)展出新原理的超低功耗狄拉克源晶體管，為超低功耗納米電子學的發(fā)展奠定了基礎。同年，團隊用高性能的晶體管制備出小規(guī)模集成電路，最高速度達到5千兆赫茲。
2020年，該團隊首次制備出達到大規(guī)模碳基集成電路所需的高純、高密碳納米管陣列材料，并采用這種材料首先實現(xiàn)了性能超越硅基集成電路的碳納米管集成電路，電路頻率超過8千兆赫茲，躋身國際領(lǐng)跑行列。
事實證明，團隊20年來的堅持是對的?！澳壳拔覀兓菊莆樟颂技{米管集成電路制備技術(shù)，能夠在實驗室把碳納米管集成電路加工出來，性能是目前為止世界上最好的，電路頻率比美國研發(fā)的高了幾十倍?！苯衲?月，彭練矛坐在辦公室里向記者談起研究的最新進展，底氣十足。
在彭練矛看來，碳基芯片無疑將成為支撐基于這些技術(shù)運行數(shù)字經(jīng)濟的最佳選擇?！拔覀兊淖罱K目標是要讓碳基芯片在10-15年內(nèi)成為主流芯片，廣泛應用在大型計算機、數(shù)據(jù)中心、手機等主流電子設備上?！?/p>
“擁有自主技術(shù)才不會被西方卡住”
彭練矛告訴記者，目前學校實驗室已可以采用碳納米管材料制備出一些中等規(guī)模甚至大規(guī)模的集成電路，“做個計算器之類沒問題。”
“但是，要用它做超大規(guī)模集成電路還不行?！迸砭毭f，目前研發(fā)出的碳基芯片的集成度仍和當前世界上普遍使用的硅基芯片相比還差很遠。
差在哪？彭練矛解釋稱，要實現(xiàn)超大規(guī)模高性能集成電路，首先就需要在大面積的基底上制備出超高半導體純度、順排、高密度和大面積均勻的單壁碳納米管陣列。此外更困難的就是需要有專用的工業(yè)級研發(fā)線，而這樣一條研發(fā)線是北大團隊所不具備的。在學校現(xiàn)有的實驗條件下，能夠制作出的最復雜的碳納米管芯片的集成度只有幾千、最多幾十萬個晶體管，尺寸還是微米級的；而當下全球最先進的硅基芯片中有五百億個晶體管，每個晶體管的面積大小只有100納米左右?！安钐h了?！?/p>
“尖端碳基芯片的專用設計工具我們同樣缺乏?！迸砭毭J為，目前，基于碳納米管的無摻雜CMOS技術(shù)已經(jīng)不存在原理上不可克服的障礙，但僅在實驗室完成存在性驗證和可能性研究和演示，并不意味著碳基芯片技術(shù)就可以自行完成技術(shù)落地，具備商業(yè)競爭力。把學校的技術(shù)變成一個可規(guī)模生產(chǎn)的工業(yè)化技術(shù)，中間還要做很多工作。目前，碳基芯片的工程化和產(chǎn)業(yè)化還有許多問題亟待解決，還需要很長的時間和大量的投入。
“精密生產(chǎn)是很難的?！迸砭毭Q，雖然我國是制造大國，但離制造強國還有距離。實際情況是，如果要實現(xiàn)碳基集成電路規(guī)模擴大，哪怕在實驗室里也需要大量資金，更不用說建設工廠、添置先進設備、每一步的精加工。彭練矛指出：“相比之下，我們的投入還是太少。因此，社會各界的支持對于碳基芯片的發(fā)展至關(guān)重要?！?/p>
談及未來，彭練矛表示，在國家重視且科研經(jīng)費充足的情況下，預計3-5年后碳基技術(shù)能夠在一些特殊領(lǐng)域得到小規(guī)模應用；預計10年之后碳基芯片有望隨著產(chǎn)品更迭逐漸成為主流芯片技術(shù)。
過去幾十年，我國在芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展上還處于相對落后的狀態(tài)。在“中興事件”、“華為事件”之后，中國“芯”問題引起重視。
“整個硅基芯片的研發(fā)上，我們落后很多，硅基芯片在美國已經(jīng)發(fā)展了60多年的時間，我們國家在其中沒有重要貢獻，材料、設備、計算機軟件、制造工藝等都是購買別人的。實際上這不光是‘卡脖子’，而是完完全全受制于人?！痹谂砭毭磥恚壳跋朐诠杌穆飞稀皬澋莱嚒辈惶F(xiàn)實，“我們需要換道開車，換到碳基的道路上。這對全球來說都是一條新的道路，目前我們還處于相對領(lǐng)先的位置。”
“我們要發(fā)展自己的集成電路技術(shù)，擁有自主技術(shù)才不會被西方卡住?！迸砭毭Q，我國應抓住歷史機遇，在現(xiàn)有優(yōu)勢下?lián)P長避短，從材料開始，全面突破現(xiàn)有的主流半導體技術(shù)，研制出中國人完全自主可控的芯片技術(shù)，通過發(fā)展碳基芯片，實現(xiàn)中國芯的“換道超車”。
同時，彭練矛也很清醒：“距離實現(xiàn)在芯片技術(shù)上超越歐美還有很長的路要走。”他已做好繼續(xù)長期奮戰(zhàn)的準備。