彭练矛:十八年坚守换来国产碳芯片的飞跃

    期次:第1488期   


5 5月 月2 2日上午 日上午, , 中共中央总书记 中共中央总书记、 、 国家主席 国家主席、 、 中央军委主席习近平来到北京大学考察 察。 。 这是彭练矛在北京大学金光生命科学大楼一层大厅向习近平介绍
  这是彭练矛在北京大学金光生命科学大楼一层大厅向习近平介绍 “ “领先世界的碳 领先世界的碳芯片技术 芯片技术” ”


碳纳米管晶体管模型 碳纳米管晶体管模型


校报记者 陈嵩松 高乔
编者按:步入21世纪以来,传统硅基芯片受摩尔定律的限制,发展速度日益缓慢,人们一直试图寻找能够替代硅的芯片材料,而碳纳米晶体管就是最具研究价值的方向。从2000年至今,北京大学信息科学技术学院电子学系彭练矛教授始终坚守在国产碳基芯片研究一线。彭练矛率团队研制出5 nm(纳米)栅长碳纳米管CMOS器件,其工作速度2倍于英特尔最先进的14 nm商用硅材料晶体管,能耗却只有硅材料晶体管的1/4,相关成果2017年1月发表于《科学》(Science);而后提出高性能低功耗的狄拉克源场效应晶体管,2018年6月也发表在《科学》上。
今年5月2日,北京大学建校120周年之际,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平考察了北京大学。在金光生命科学大楼,习近平总书记参观了北京大学理工医科五年科研成就展,其中重大原创性成果之一便是由北京大学信息科学技术学院电子学系主任、教育部“长江学者奖励计划”特聘教授彭练矛及其团队研发的“领先世界的碳芯片技术”。从2000年起,彭练矛教授已在碳基纳米电子学领域坚守了18年,收获了世界领先的科研成果,未来他们还将继续在碳芯片领域奋战下去,为国产芯片实现对欧美的超越积蓄力量。
厚积薄发:困难与突破
“1997年,北京大学跨学科、跨院系地创立了全国第一个纳米科技研究机构(北京大学纳米科学与技术研究中心)。1999年4月回到北大以后,我就开始从事纳米电子学的研究。”彭练矛如是说,“最开始的七年是在不断摸索中度过的。”在纳米科学和芯片领域,由于国外大学和企业在设备、技术、经验上遥遥领先,把持着绝对话语权,国内相关领域的研发处于落后和迟滞的状态。在这样的大环境中,彭练矛和他的团队也无例外,初期的尝试往往以失败告终。
然而,彭练矛从未想过放弃。“国外起步非常早;刚开始的时候,我们做的电子器件在性能上跟人家完全没有可比性,落后太多,但是我们必须要做。”正是抱着如此坚定的态度和决心,彭练矛团队从模仿IBM公司(国际商业机器公司)等开始,一步一个脚印,边学习边发掘纳米电子学领域中属于中国人的机会。
功夫不负有心人。2007年,卧薪尝胆的彭练矛终于迎来了他在纳米电子学研究中的第一项标志性成果——碳纳米管晶体管(简称“碳管”)制备技术的初步突破。碳纳米管是一种在上世纪90年代被发现的半导体材料,众多科学家曾设想用它来制备电子晶体管,却一筹莫展。众所周知,芯片中最基本的器件是CMOS(互补金属氧化物半导体)晶体管,其中N型碳管晶体管的制备始终是世界性难题。在初步解决这一难题的同时,彭练矛团队正式将碳管材料和碳基芯片作为研究方向。
一鸣惊人:攻坚与收获
从2007年开始,彭练矛带领团队展开了碳芯片技术的持续攻坚战。科学界普遍认为碳纳米管自身的材料性能远优于硅材料,碳管晶体管的理论极限运行速度可比硅晶体管快5~10倍,而功耗却降低到其1/10,因此是极佳的晶体管制备材料。然而,碳管晶体管的研究工作并不如想象般顺利,Intel(英特尔)公司和IBM公司等先驱做了大量工作,仍无法研制出高效的碳管晶体管。
制备碳纳米管晶体管的传统方式是对碳管材料进行掺杂处理,通过掺杂的杂质控制晶体管的极性和性能。此时,碳管由于内部充满杂质,将会失去原本具有运行速度快的优势,同时还增加晶体管的功耗,相较传统的硅材料彻底失去竞争力。在技术难题面前,Intel等公司纷纷放弃了碳管晶体管的研制,唯有IBM公司继续研发,却也只能研制出合格的P型晶体管。
彭练矛团队从材料、工艺、结构等各个角度对N型碳纳米管晶体管的制备进行了深入研究。从2007年到2017年,又经过十年的技术攻坚,他们放弃传统掺杂工艺,创造性地研发了一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法,终于突破了N型碳纳米管晶体管制备这一跨世纪难题,首次实现了5 nm栅长的高性能碳管晶体管,性能超越目前最好的硅基晶体管,接近量子力学原理决定的物理极限,有望将CMOS技术推进至3 nm以下技术节点。2017年1月,标志性成果发表在《科学》上,相关工作被国内外主流学术媒体和新华社报道。《人民日报》(海外版)评价碳管晶体管的“工作速度是英特尔最先进的14纳米商用硅材料晶体管的三倍,而能耗只是其四分之一”,意味着中国科学家“有望在芯片技术上赶超国外同行”“是中国信息科技发展的一座新里程碑”。
引领未来:砥砺与前进
尽管收获了里程碑式的成果,但距离大规模市场化还很遥远,国产碳芯片的发展之路还很漫长。“我们的最终目标是要用碳基芯片完全替代目前的硅基芯片,应用在计算机、手机等主流电子设备的CPU(中央处理器)上。”彭练矛充满信心地说道。
碳芯片面临的主要发展困难之一来自于技术不尽成熟、高成本导致的难以市场化。尽管彭练矛团队制备出的整体长度为240 nm的碳纳米管CMOS反相器已是目前世界上所能实现的最小的反相器电路,但使用碳芯片技术所能制备出的CPU级芯片依然只能达到上世纪第一款Intel芯片4004的性能。
为了逐步解决这个难题,彭练矛决定首先从硅基芯片未涉足应用或应用较少的领域出发,用碳芯片独有的技术优势制备产品,抢占柔性电子学、生物电子学等细分市场。在实现这些细分市场的产品商业化之后,再在市场支持和技术进步下,将碳芯片推向成熟、主流市场,最终实现全面市场化的宏伟目标。
实现碳芯片的进一步发展,除了依靠团队自身的努力和市场化的运作以外,来自政府和学校的支持也必不可少。北京大学正在筹建碳基电子学研究院,以更大的力度投入碳芯片研发。彭练矛在表达感谢的同时,也呼吁学校和政府更加关注碳芯片领域,对碳芯片的产学研用链条给予更集中的投入。“国外在芯片相关领域每年的投资额是500多亿美元,所以,我们不投入几百亿的资金是没有可能突破的”,彭练矛说,“芯片的研发和产业化也不是靠几十个人就能完成的。”政府和学校的支持对于未来碳芯片的发展至关重要,研发团队的培养和整个碳芯片产业的建设也迫在眉睫,碳芯片领域的未来发展需整个社会的重视。
对于彭练矛来说,进行碳芯片技术的研究开发,为下一代电子器件和芯片的构建打下了稳固的基础,证明了芯片制造除了使用传统的硅材料以外,还有另外一条路可以走,那就是碳芯片的发展。而最为重要的是,碳芯片技术的突破,将为整个中国的芯片领域发展带来新的希望,为中国芯片突破西方封锁、开启自主创新时代开辟一条崭新的道路。这既是彭练矛在国产碳芯片研究领域坚守18年的背后原因,也将是他继续坚持研究下去的动力源泉。