院士彭練矛:20年堅守碳基晶片研發,讓中國芯「換道超車」

新京報 發佈 2022-09-23T12:36:03.995777+00:00

一整面牆都是書,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。

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裡。一整面牆都是書,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碳基晶片研究一線。在他看來,目前中國晶片產業鏈面臨著被「卡脖子」的狀況,關鍵因素是中國在晶片技術領域沒有核心技術和自主研發能力,從材料、設計到生產製備的全套技術中任何一個環節都沒能發揮主導作用。

而碳基電子將有望打破這種局面,實現由中國主導晶片技術的「換道超車」。

20年來,他帶領團隊研發出了整套碳基晶片技術,首次製備出性能接近理論極限,柵長僅5納米的碳納米管電晶體,實現了「從0到1」的突破,為中國晶片突破西方封鎖、開啟自主創新時代開闢了一條嶄新的道路。

2022年3月23日,中國科學院院士彭練矛在談自己的科研經歷。新京報記者 浦峰 攝

「啟用新材料是解決晶片性能問題的根本出路」

作為電子產品的「心臟」,全球每年對晶片的需求已達萬億顆。「大家都希望電子設備的晶片速度更快、續航時間更長。」彭練矛告訴記者,碳基晶片技術的發展對於大眾生活有著廣泛而深遠的影響,5G技術的來臨將使城市變成「智慧城市」,健康醫療、可穿戴電子設備、物聯網和生物兼容性器件……這些都離不開海量的數據運算,需要有強大處理能力的晶片做支撐。

在傳統工藝下,這些晶片有著統一的核心材料,那就是矽。當前,矽基晶片已經進入5納米時代,甚至在向2納米、1納米探索,這意味著,矽基晶片性能逼近物理極限。

步入21世紀以來,尋找能夠替代矽的晶片材料,成為熱門話題。「當時整個學界都感覺到,矽基微電子實際上在走下坡路。學界會提前考慮,未來取代矽的材料會是什麼?」彭練矛表示,傳統矽基晶片材料的潛力基本已被挖掘殆盡,無法滿足行業未來進一步發展的需要,啟用新材料是從根本上解決晶片性能問題的出路。

時值上世紀末,納米科技正在興起,碳納米管電晶體引起了不少科學家的關注。

碳納米管是1991年由日本科學家飯島澄男(S.Iijima)發現的。「碳原子按照六角排布,形成一個單原子層,這就是石墨烯。而一個矩形的石墨烯條帶,長邊對接捲成一個卷,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。」彭練矛這樣描述這種新材料。

飯島澄男在上世紀70年代初師從考利(J.M.Cowley)進行博士後研究工作,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積累了大量經驗。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」後北大無線電電子學系招收的首屆學生。在恩師西門紀業教授的帶領下,他與電子顯微學結下了不解之緣。

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。隨後,彭練矛又先後前往挪威奧斯陸大學和英國牛津大學繼續從事電子衍射相關研究工作,在電子顯微學領域嶄露頭角。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」。於是彭練矛帶領研究團隊,從零開始,探究用碳納米管材料製備集成電路的方法。

最初幾年是在不斷摸索中度過的。他們發現,碳納米管是做晶片最好的材料,「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。雖然沒有現成工藝可以遵循,但理論預測碳納米管晶片性能可以比現在矽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構、超薄的導電通道、極高的載流子遷移率和穩定性。基於碳納米管的電子技術有望成為後矽時代主流的集成電路技術。」

2005年,彭練矛在北大的電鏡實驗室留影。受訪者供圖

「已研發出目前世界上最好的晶片材料」

用碳納米管制備的碳基晶片的綜合性能可以比矽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,如何讓它變為現實?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。」彭練矛坦言。

首先是突破材料瓶頸,掌握碳納米管制備技術。經過十年的技術攻堅,課題組放棄了傳統摻雜工藝,研發了一整套高性能碳納米管電晶體的無摻雜製備方法。

碳納米管材料非常微小,肉眼不可見。彭練矛形容,人的一根頭髮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髮絲的幾萬分之一。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。怎麼辦?

還好,彭練矛之前做過大量電子顯微鏡相關研究,對於觀察和操縱「小東西」有一定經驗。2017年,團隊首次製備出柵長5納米的碳納米管電晶體,這一世界上迄今最小的高性能電晶體,在本徵性能和功耗綜合指標上相較最先進的矽基器件具有約10倍的綜合優勢,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,發展出新原理的超低功耗狄拉克源電晶體,為超低功耗納米電子學的發展奠定了基礎。同年,團隊用高性能的電晶體製備出小規模集成電路,最高速度達到5千兆赫茲。

2020年,該團隊首次製備出達到大規模碳基集成電路所需的高純、高密碳納米管陣列材料,並採用這種材料首先實現了性能超越矽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,躋身國際領跑行列。

事實證明,團隊20年來的堅持是對的。「目前我們基本掌握了碳納米管集成電路製備技術,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的高了幾十倍。」今年3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,碳基晶片無疑將成為支撐基於這些技術運行數字經濟的最佳選擇。「我們的最終目標是要讓碳基晶片在10-15年內成為主流晶片,廣泛應用在大型計算機、數據中心、手機等主流電子設備上。」

「擁有自主技術才不會被西方卡住」

彭練矛告訴記者,目前學校實驗室已可以採用碳納米管材料製備出一些中等規模甚至大規模的集成電路,「做個計算器之類沒問題。」

「但是,要用它做超大規模集成電路還不行。」彭練矛說,目前研發出的碳基晶片的集成度仍和當前世界上普遍使用的矽基晶片相比還差很遠。

差在哪?彭練矛解釋稱,要實現超大規模高性能集成電路,首先就需要在大面積的基底上製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級研發線,而這樣一條研發線是北大團隊所不具備的。在學校現有的實驗條件下,能夠製作出的最複雜的碳納米管晶片的集成度只有幾千、最多幾十萬個電晶體,尺寸還是微米級的;而當下全球最先進的矽基晶片中有五百億個電晶體,每個電晶體的面積大小只有100納米左右。「差太遠了。」

「尖端碳基晶片的專用設計工具我們同樣缺乏。」彭練矛認為,目前,基於碳納米管的無摻雜CMOS技術已經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,並不意味著碳基晶片技術就可以自行完成技術落地,具備商業競爭力。把學校的技術變成一個可規模生產的工業化技術,中間還要做很多工作。目前,碳基晶片的工程化和產業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。

「精密生產是很難的。」彭練矛稱,雖然我國是製造大國,但離製造強國還有距離。實際情況是,如果要實現碳基集成電路規模擴大,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,社會各界的支持對於碳基晶片的發展至關重要。」

談及未來,彭練矛表示,在國家重視且科研經費充足的情況下,預計3-5年後碳基技術能夠在一些特殊領域得到小規模應用;預計10年之後碳基晶片有望隨著產品更迭逐漸成為主流晶片技術。

過去幾十年,我國在晶片產業發展上還處於相對落後的狀態。在「中興事件」、「華為事件」之後,中國「芯」問題引起重視。

「整個矽基晶片的研發上,我們落後很多,矽基晶片在美國已經發展了60多年的時間,我們國家在其中沒有重要貢獻,材料、設備、計算機軟體、製造工藝等都是購買別人的。實際上這不光是『卡脖子』,而是完完全全受制於人。」在彭練矛看來,目前想在矽基的路上「彎道超車」不太現實,「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,目前我們還處於相對領先的位置。」

「我們要發展自己的集成電路技術,擁有自主技術才不會被西方卡住。」彭練矛稱,我國應抓住歷史機遇,在現有優勢下揚長避短,從材料開始,全面突破現有的主流半導體技術,研製出中國人完全自主可控的晶片技術,通過發展碳基晶片,實現中國芯的「換道超車」。

同時,彭練矛也很清醒:「距離實現在晶片技術上超越歐美還有很長的路要走。」他已做好繼續長期奮戰的準備。

【人物名片】

彭練矛,電子和材料物理學家,目前主要從事碳基電子學領域研究。1982年畢業於北京大學無線電電子學系並獲學士學位,1988年於美國亞利桑那州立大學獲博士學位,後赴英國牛津大學,1994年底回國。2019年當選為中國科學院院士。現任北京大學電子學院院長、北京碳基集成電路研究院院長。

【匠心解讀】

新京報:如何理解匠心精神?匠心精神如何堅守,如何傳承?

彭練矛:匠心精神一般指常年專注一件事情,能夠把事情做到極致,成為某一專業的專家、冠軍。這無疑是需要的,但目前我們所面臨的許多問題,特別是晶片問題,光發揮匠心精神是不夠的。晶片問題不僅需要相關行業的人努力工作,發揮匠心精神,更需要有前瞻視野的大師來把控和平衡各行業協同進步,不斷將全產業鏈穩步推進。

【匠人心聲】

新京報:在你的生活和工作中,哪些東西是你一直堅守的?

彭練矛:將事情做到最好,不分大小,養成一個習慣,以最高標準要求自己。就像學校學生考試一樣,拿到90分達到優秀並不難,但堅持要拿100分,始終都要求自己拿出全力去拼100分就不一樣。可能需要拿出200%或更多的努力才能多拿3-5分,但堅持下來,必能受益。

新京報:什麼時候是你認為最艱難的時候?能夠堅持下去的原因是什麼?

彭練矛:大概是2017年,開始認識到光在學校做晶片相關的研究已經不夠,不足以推動相關領域繼續向前走,需要走出學校,爭取更多資源,開展碳基電子的工程化和未來的產業化研究。這些需要去接觸更大的世界,去求之前不熟悉的人,都是我之前不太擅長且極力避免的,當時覺得非常困難。但想起了一句名言,大意是失敗並非末日,失去向前的勇氣才是最可怕的。國家需要有自己的晶片技術,現在這個歷史機遇出現了,不論多麼困難,都得堅持下去。

新京報:你希望未來還取得怎樣的成就,對於未來有怎樣的期待?

彭練矛:希望最終將我們研發的碳基晶片技術推至主流,大家的生活因我們的努力而變得更美好。

新京報:你感覺你獲得的最大的快樂是什麼?

彭練矛:沒有虛度時光,為國家和人類進步做出了應有的貢獻。

新京報2022年9月22日大國匠心特刊《十年磨一劍》。

新京報記者 馮琪

編輯 繆晨霞 校對 翟永軍

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