彭練矛：十八年堅守換來國產碳芯片的飛躍

5 5月 月2 2日上午 日上午， ， 中共中央總書記 中共中央總書記、 、 國家主席 國家主席、 、 中央軍委主席習近平來到北京大學考察 察。 。 這是彭練矛在北京大學金光生命科學大樓一層大廳向習近平介紹
　　這是彭練矛在北京大學金光生命科學大樓一層大廳向習近平介紹 “ “領先世界的碳 領先世界的碳芯片技術 芯片技術” ”


碳納米管晶體管模型 碳納米管晶體管模型


校報記者 陳嵩松 高喬
編者按：步入21世紀以來，傳統硅基芯片受摩爾定律的限制，發展速度日益緩慢，人們一直試圖尋找能夠替代硅的芯片材料，而碳納米晶體管就是最具研究價值的方向。從2000年至今，北京大學信息科學技術學院電子學系彭練矛教授始終堅守在國產碳基芯片研究一線。彭練矛率團隊研制出5 nm（納米）柵長碳納米管CMOS器件，其工作速度2倍于英特爾最先進的14 nm商用硅材料晶體管，能耗卻只有硅材料晶體管的1/4，相關成果2017年1月發表于《科學》（Science）；而后提出高性能低功耗的狄拉克源場效應晶體管，2018年6月也發表在《科學》上。
今年5月2日，北京大學建校120周年之際，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平考察了北京大學。在金光生命科學大樓，習近平總書記參觀了北京大學理工醫科五年科研成就展，其中重大原創性成果之一便是由北京大學信息科學技術學院電子學系主任、教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授彭練矛及其團隊研發的“領先世界的碳芯片技術”。從2000年起，彭練矛教授已在碳基納米電子學領域堅守了18年，收獲了世界領先的科研成果，未來他們還將繼續在碳芯片領域奮戰下去，為國產芯片實現對歐美的超越積蓄力量。
厚積薄發：困難與突破
“1997年，北京大學跨學科、跨院系地創立了全國第一個納米科技研究機構（北京大學納米科學與技術研究中心）。1999年4月回到北大以后，我就開始從事納米電子學的研究?！迸砭毭缡钦f，“最開始的七年是在不斷摸索中度過的?！痹诩{米科學和芯片領域，由于國外大學和企業在設備、技術、經驗上遙遙領先，把持著絕對話語權，國內相關領域的研發處于落后和遲滯的狀態。在這樣的大環境中，彭練矛和他的團隊也無例外，初期的嘗試往往以失敗告終。
然而，彭練矛從未想過放棄?！皣馄鸩椒浅Ｔ?；剛開始的時候，我們做的電子器件在性能上跟人家完全沒有可比性，落后太多，但是我們必須要做。”正是抱著如此堅定的態度和決心，彭練矛團隊從模仿IBM公司（國際商業機器公司）等開始，一步一個腳印，邊學習邊發掘納米電子學領域中屬于中國人的機會。
功夫不負有心人。2007年，臥薪嘗膽的彭練矛終于迎來了他在納米電子學研究中的第一項標志性成果——碳納米管晶體管（簡稱“碳管”）制備技術的初步突破。碳納米管是一種在上世紀90年代被發現的半導體材料，眾多科學家曾設想用它來制備電子晶體管，卻一籌莫展。眾所周知，芯片中最基本的器件是CMOS（互補金屬氧化物半導體）晶體管，其中N型碳管晶體管的制備始終是世界性難題。在初步解決這一難題的同時，彭練矛團隊正式將碳管材料和碳基芯片作為研究方向。
一鳴驚人：攻堅與收獲
從2007年開始，彭練矛帶領團隊展開了碳芯片技術的持續攻堅戰?？茖W界普遍認為碳納米管自身的材料性能遠優于硅材料，碳管晶體管的理論極限運行速度可比硅晶體管快5～10倍，而功耗卻降低到其1/10，因此是極佳的晶體管制備材料。然而，碳管晶體管的研究工作并不如想象般順利，Intel（英特爾）公司和IBM公司等先驅做了大量工作，仍無法研制出高效的碳管晶體管。
制備碳納米管晶體管的傳統方式是對碳管材料進行摻雜處理，通過摻雜的雜質控制晶體管的極性和性能。此時，碳管由于內部充滿雜質，將會失去原本具有運行速度快的優勢，同時還增加晶體管的功耗，相較傳統的硅材料徹底失去競爭力。在技術難題面前，Intel等公司紛紛放棄了碳管晶體管的研制，唯有IBM公司繼續研發，卻也只能研制出合格的P型晶體管。
彭練矛團隊從材料、工藝、結構等各個角度對N型碳納米管晶體管的制備進行了深入研究。從2007年到2017年，又經過十年的技術攻堅，他們放棄傳統摻雜工藝，創造性地研發了一整套高性能碳納米管晶體管的無摻雜制備方法，終于突破了N型碳納米管晶體管制備這一跨世紀難題，首次實現了5 nm柵長的高性能碳管晶體管，性能超越目前最好的硅基晶體管，接近量子力學原理決定的物理極限，有望將CMOS技術推進至3 nm以下技術節點。2017年1月，標志性成果發表在《科學》上，相關工作被國內外主流學術媒體和新華社報道。《人民日報》（海外版）評價碳管晶體管的“工作速度是英特爾最先進的14納米商用硅材料晶體管的三倍，而能耗只是其四分之一”，意味著中國科學家“有望在芯片技術上趕超國外同行”“是中國信息科技發展的一座新里程碑”。
引領未來：砥礪與前進
盡管收獲了里程碑式的成果，但距離大規模市場化還很遙遠，國產碳芯片的發展之路還很漫長?！拔覀兊淖罱K目標是要用碳基芯片完全替代目前的硅基芯片，應用在計算機、手機等主流電子設備的CPU（中央處理器）上?！迸砭毭錆M信心地說道。
碳芯片面臨的主要發展困難之一來自于技術不盡成熟、高成本導致的難以市場化。盡管彭練矛團隊制備出的整體長度為240 nm的碳納米管CMOS反相器已是目前世界上所能實現的最小的反相器電路，但使用碳芯片技術所能制備出的CPU級芯片依然只能達到上世紀第一款Intel芯片4004的性能。
為了逐步解決這個難題，彭練矛決定首先從硅基芯片未涉足應用或應用較少的領域出發，用碳芯片獨有的技術優勢制備產品，搶占柔性電子學、生物電子學等細分市場。在實現這些細分市場的產品商業化之后，再在市場支持和技術進步下，將碳芯片推向成熟、主流市場，最終實現全面市場化的宏偉目標。
實現碳芯片的進一步發展，除了依靠團隊自身的努力和市場化的運作以外，來自政府和學校的支持也必不可少。北京大學正在籌建碳基電子學研究院，以更大的力度投入碳芯片研發。彭練矛在表達感謝的同時，也呼吁學校和政府更加關注碳芯片領域，對碳芯片的產學研用鏈條給予更集中的投入?！皣庠谛酒嚓P領域每年的投資額是500多億美元，所以，我們不投入幾百億的資金是沒有可能突破的”，彭練矛說，“芯片的研發和產業化也不是靠幾十個人就能完成的。”政府和學校的支持對于未來碳芯片的發展至關重要，研發團隊的培養和整個碳芯片產業的建設也迫在眉睫，碳芯片領域的未來發展需整個社會的重視。
對于彭練矛來說，進行碳芯片技術的研究開發，為下一代電子器件和芯片的構建打下了穩固的基礎，證明了芯片制造除了使用傳統的硅材料以外，還有另外一條路可以走，那就是碳芯片的發展。而最為重要的是，碳芯片技術的突破，將為整個中國的芯片領域發展帶來新的希望，為中國芯片突破西方封鎖、開啟自主創新時代開辟一條嶄新的道路。這既是彭練矛在國產碳芯片研究領域堅守18年的背后原因，也將是他繼續堅持研究下去的動力源泉。