院士彭練矛：20年堅(jiān)守碳基芯片研發(fā)，讓中國芯“換道超車”

進(jìn)入北京大學(xué)東南門，右手邊第一棟樓上“逸夫苑”三個(gè)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(xué)二等獎(jiǎng)”“2011年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”等多個(gè)金色獎(jiǎng)牌隨意地?cái)[放其間。

從2000年至今，北京大學(xué)電子學(xué)院教授彭練矛堅(jiān)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(shè)計(jì)到生產(chǎn)制備的全套技術(shù)中任何一個(gè)環(huán)節(jié)都沒能發(fā)揮主導(dǎo)作用。

而碳基電子將有望打破這種局面，實(shí)現(xiàn)由中國主導(dǎo)芯片技術(shù)的“換道超車”。

20年來，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)僅5納米的碳納米管晶體管，實(shí)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(shí)代開辟了一條嶄新的道路。

2022年3月23日，中國科學(xué)院院士彭練矛在談自己的科研經(jīng)歷。新京報(bào)記者 浦峰 攝

“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(duì)芯片的需求已達(dá)萬億顆。“大家都希望電子設(shè)備的芯片速度更快、續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)。”彭練矛告訴記者，碳基芯片技術(shù)的發(fā)展對(duì)于大眾生活有著廣泛而深遠(yuǎn)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(shè)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(yùn)算，需要有強(qiáng)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(dāng)前，硅基芯片已經(jīng)進(jìn)入5納米時(shí)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(jì)以來，尋找能夠替代硅的芯片材料，成為熱門話題。“當(dāng)時(shí)整個(gè)學(xué)界都感覺到，硅基微電子實(shí)際上在走下坡路。學(xué)界會(huì)提前考慮，未來取代硅的材料會(huì)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(jìn)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(shí)值上世紀(jì)末，納米科技正在興起，碳納米管晶體管引起了不少科學(xué)家的關(guān)注。

碳納米管是1991年由日本科學(xué)家飯島澄男（S.Iijima）發(fā)現(xiàn)的。“碳原子按照六角排布，形成一個(gè)單原子層，這就是石墨烯。而一個(gè)矩形的石墨烯條帶，長(zhǎng)邊對(duì)接卷成一個(gè)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(yīng)，使其電子學(xué)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(jì)70年代初師從考利（J.M.Cowley）進(jìn)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(rèn)識(shí)了碳納米管。

在這之前，彭練矛在電子顯微學(xué)研究方面已經(jīng)積累了大量經(jīng)驗(yàn)。1978年，高考恢復(fù)的第二年，年僅16歲的彭練矛走進(jìn)燕園，成為“文革”后北大無線電電子學(xué)系招收的首屆學(xué)生。在恩師西門紀(jì)業(yè)教授的帶領(lǐng)下，他與電子顯微學(xué)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(jì)業(yè)教授的鼓勵(lì)下，彭練矛前往亞利桑那州立大學(xué)美國國家高分辨電子顯微學(xué)中心攻讀博士學(xué)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(xué)和英國牛津大學(xué)繼續(xù)從事電子衍射相關(guān)研究工作，在電子顯微學(xué)領(lǐng)域嶄露頭角。1994年，彭練矛回到祖國。

2000年，北京大學(xué)“組隊(duì)”，著手研究面向未來的電子學(xué)。當(dāng)時(shí)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(tuán)隊(duì)，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(xué)性能、機(jī)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(yù)測(cè)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(tuán)隊(duì)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(dǎo)電通道、極高的載流子遷移率和穩(wěn)定性。基于碳納米管的電子技術(shù)有望成為后硅時(shí)代主流的集成電路技術(shù)。”

2005年，彭練矛在北大的電鏡實(shí)驗(yàn)室留影。受訪者供圖

“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(xué)界的共識(shí)。但這只是理想狀態(tài)，如何讓它變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)？對(duì)團(tuán)隊(duì)來說，這個(gè)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(shù)。經(jīng)過十年的技術(shù)攻堅(jiān)，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(xué)顯微鏡看不到，只能用電子顯微鏡來看，同時(shí)，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(duì)于觀察和操縱“小東西”有一定經(jīng)驗(yàn)。2017年，團(tuán)隊(duì)首次制備出柵長(zhǎng)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(biāo)上相較最先進(jìn)的硅基器件具有約10倍的綜合優(yōu)勢(shì)，性能接近由量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)原理決定的理論極限。

2018年，團(tuán)隊(duì)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(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。同年，團(tuán)隊(duì)用高性能的晶體管制備出小規(guī)模集成電路，最高速度達(dá)到5千兆赫茲。

2020年，該團(tuán)隊(duì)首次制備出達(dá)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(shí)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(shí)證明，團(tuán)隊(duì)20年來的堅(jiān)持是對(duì)的。“目前我們基本掌握了碳納米管集成電路制備技術(shù)，能夠在實(shí)驗(yàn)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。”今年3月，彭練矛坐在辦公室里向記者談起研究的最新進(jìn)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(yùn)行數(shù)字經(jīng)濟(jì)的最佳選擇。“我們的最終目標(biāo)是要讓碳基芯片在1015年內(nèi)成為主流芯片，廣泛應(yīng)用在大型計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心、手機(jī)等主流電子設(shè)備上。”

“擁有自主技術(shù)才不會(huì)被西方卡住”

彭練矛告訴記者，目前學(xué)校實(shí)驗(yàn)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(gè)計(jì)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。”彭練矛說，目前研發(fā)出的碳基芯片的集成度仍和當(dāng)前世界上普遍使用的硅基芯片相比還差很遠(yuǎn)。

差在哪？彭練矛解釋稱，要實(shí)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(dǎo)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(jí)研發(fā)線，而這樣一條研發(fā)線是北大團(tuán)隊(duì)所不具備的。在學(xué)校現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，能夠制作出的最復(fù)雜的碳納米管芯片的集成度只有幾千、最多幾十萬個(gè)晶體管，尺寸還是微米級(jí)的；而當(dāng)下全球最先進(jìn)的硅基芯片中有五百億個(gè)晶體管，每個(gè)晶體管的面積大小只有100納米左右。“差太遠(yuǎn)了。”

“尖端碳基芯片的專用設(shè)計(jì)工具我們同樣缺乏。”彭練矛認(rèn)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(shí)驗(yàn)室完成存在性驗(yàn)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(jìng)爭(zhēng)力。把學(xué)校的技術(shù)變成一個(gè)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(zhǎng)的時(shí)間和大量的投入。

“精密生產(chǎn)是很難的。”彭練矛稱，雖然我國是制造大國，但離制造強(qiáng)國還有距離。實(shí)際情況是，如果要實(shí)現(xiàn)碳基集成電路規(guī)模擴(kuò)大，哪怕在實(shí)驗(yàn)室里也需要大量資金，更不用說建設(shè)工廠、添置先進(jìn)設(shè)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(huì)各界的支持對(duì)于碳基芯片的發(fā)展至關(guān)重要。”

談及未來，彭練矛表示，在國家重視且科研經(jīng)費(fèi)充足的情況下，預(yù)計(jì)35年后碳基技術(shù)能夠在一些特殊領(lǐng)域得到小規(guī)模應(yīng)用；預(yù)計(jì)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(duì)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(gè)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(shí)間，我們國家在其中沒有重要貢獻(xiàn)，材料、設(shè)備、計(jì)算機(jī)軟件、制造工藝等都是購買別人的。實(shí)際上這不光是‘卡脖子’，而是完完全全受制于人。”在彭練矛看來，目前想在硅基的路上“彎道超車”不太現(xiàn)實(shí)，“我們需要換道開車，換到碳基的道路上。這對(duì)全球來說都是一條新的道路，目前我們還處于相對(duì)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(huì)被西方卡住。”彭練矛稱，我國應(yīng)抓住歷史機(jī)遇，在現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)下?lián)P長(zhǎng)避短，從材料開始，全面突破現(xiàn)有的主流半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)中國芯的“換道超車”。

同時(shí)，彭練矛也很清醒：“距離實(shí)現(xiàn)在芯片技術(shù)上超越歐美還有很長(zhǎng)的路要走。”他已做好繼續(xù)長(zhǎng)期奮戰(zhàn)的準(zhǔn)備。

【人物名片】

彭練矛，電子和材料物理學(xué)家，目前主要從事碳基電子學(xué)領(lǐng)域研究。1982年畢業(yè)于北京大學(xué)無線電電子學(xué)系并獲學(xué)士學(xué)位，1988年于美國亞利桑那州立大學(xué)獲博士學(xué)位，后赴英國牛津大學(xué)，1994年底回國。2019年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。現(xiàn)任北京大學(xué)電子學(xué)院院長(zhǎng)、北京碳基集成電路研究院院長(zhǎng)。

【匠心解讀】

新京報(bào)：如何理解匠心精神？匠心精神如何堅(jiān)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(yè)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，特別是芯片問題，光發(fā)揮匠心精神是不夠的。芯片問題不僅需要相關(guān)行業(yè)的人努力工作，發(fā)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(yè)協(xié)同進(jìn)步，不斷將全產(chǎn)業(yè)鏈穩(wěn)步推進(jìn)。

【匠人心聲】

新京報(bào)：在你的生活和工作中，哪些東西是你一直堅(jiān)守的？

彭練矛：將事情做到最好，不分大小，養(yǎng)成一個(gè)習(xí)慣，以最高標(biāo)準(zhǔn)要求自己。就像學(xué)校學(xué)生考試一樣，拿到90分達(dá)到優(yōu)秀并不難，但堅(jiān)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35分，但堅(jiān)持下來，必能受益。

新京報(bào)：什么時(shí)候是你認(rèn)為最艱難的時(shí)候？能夠堅(jiān)持下去的原因是什么？

彭練矛：大概是2017年，開始認(rèn)識(shí)到光在學(xué)校做芯片相關(guān)的研究已經(jīng)不夠，不足以推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域繼續(xù)向前走，需要走出學(xué)校，爭(zhēng)取更多資源，開展碳基電子的工程化和未來的產(chǎn)業(yè)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(zhǎng)且極力避免的，當(dāng)時(shí)覺得非常困難。但想起了一句名言，大意是失敗并非末日，失去向前的勇氣才是最可怕的。國家需要有自己的芯片技術(shù)，現(xiàn)在這個(gè)歷史機(jī)遇出現(xiàn)了，不論多么困難，都得堅(jiān)持下去。

新京報(bào)：你希望未來還取得怎樣的成就，對(duì)于未來有怎樣的期待？

彭練矛：希望最終將我們研發(fā)的碳基芯片技術(shù)推至主流，大家的生活因我們的努力而變得更美好。

新京報(bào)：你感覺你獲得的最大的快樂是什么？

彭練矛：沒有虛度時(shí)光，為國家和人類進(jìn)步做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

新京報(bào)2022年9月22日大國匠心特刊《十年磨一劍》。

新京報(bào)記者 馮琪

編輯 繆晨霞 校對(duì) 翟永軍