當人類生活越來越離不開手機、電腦等電子產(chǎn)品時，這些產(chǎn)品的核心部件芯片正面臨著性能極限的逼近。好在科學家們正在探索用新材料來替代硅制造芯片，從而沖破芯片的物理極限。在這方面，中國科學家已經(jīng)走在了世界前列，這也為中國芯片產(chǎn)業(yè)的換道超車提供了可能。
圖：北京大學彭練矛團隊研究生在做實驗。（由該研究團隊提供）
北京大學電子系教授彭練矛帶領(lǐng)團隊成功使用新材料碳納米管制造出芯片的核心元器件——晶體管，其工作速度3倍于英特爾最先進的14納米商用硅材料晶體管，能耗只有其四分之一。該成果于2017年初刊登于《科學》雜志。“如果把芯片比作一棟房子，晶體管就是建房的磚頭，一棟棟的房子就構(gòu)成了我們的信息社會。”彭連矛說。
硅是傳統(tǒng)的半導體材料。長期以來，整個半導體產(chǎn)業(yè)遵循摩爾定律，不斷縮小晶體管尺寸以提升其性能。而業(yè)界認為，摩爾定律將在2020年左右達到終點，即硅材料晶體管的尺寸將無法再縮小，芯片的性能提升已經(jīng)接近其物理極限。
在此背景下，人們一直在尋找能夠替代當前硅芯片的材料，碳納米管就是主要的研究方向之一。美國斯坦福大學、IBM公司的研究人員都在致力于該領(lǐng)域的研究。國際半導體技術(shù)發(fā)展路線圖近年來多次引用彭練矛團隊的工作，來證明碳納米管是一個重要的出路。彭練矛堅信，碳納米管晶體管技術(shù)的突破對于中國半導體產(chǎn)業(yè)意義深遠。
圖：464碳納米管晶體管模型圖片。（由該研究團隊提供）
一直以來，芯片都是中國科技領(lǐng)域的短板。盡管中國是世界最大的半導體消費國，目前國產(chǎn)芯片的自給率尚不足三成。據(jù)專業(yè)研究機構(gòu)統(tǒng)計，2015年中國大陸芯片產(chǎn)業(yè)進口花費高達2307億美元，是原油進口總額的1.7倍。此外，彭練矛指出中國自主研發(fā)的芯片多是低端芯片，中國的芯片制造技術(shù)距離世界前沿水平還有3到5年的差距。然而，隨著硅材料的物理性能走向極限，碳基芯片的科研突破給中國芯片產(chǎn)業(yè)提供了換道超車的可能。
“我們的碳納米管晶體管研發(fā)技術(shù)領(lǐng)先世界。中國巨大的市場和雄厚的資金更是為我們提供了廣闊前景。”彭練矛說。彭練矛在2000年之前就開始研究碳納米管晶體管，至今已近20年。今年55歲的他自稱是個愛做夢的人。
盡管每天面對的是顯微鏡下比紅細胞還小的晶體管，彭練矛腦海里經(jīng)常浮現(xiàn)的是一幅幅關(guān)乎人類命運的未來圖景：連續(xù)使用若干天無需充電的智能手機；可穿戴、舒適的微型醫(yī)療傳感器；敏感性更高的機器人皮膚……彭練矛在碳納米管的研究上取得的成就意味著，他關(guān)于未來的種種夢想或?qū)⒃诓痪玫膶沓蔀楝F(xiàn)實。“碳納米管晶體管比同尺寸的硅基晶體管速度快5到10倍，功耗只有其十分之一。”彭練矛說。
圖：彭練矛團隊研究生在做實驗。（拍攝者：王�。�
由于能耗低，未來手機電池續(xù)航能力會大大提高。同時，安裝了這種高效芯片后，未來手機的攝像頭性能也將大大增強。碳基芯片不僅能表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能，更令人振奮的是，它還可能做硅基芯片所做不到的事情。
彭練矛的團隊已經(jīng)在著手研究碳材料的醫(yī)用傳感器，用來檢測血壓、心跳和血糖等生化指標。由于碳材料與人體兼容性高，且有良好的柔韌性，這種傳感器可以完美貼合皮膚，讓人感覺不到它的存在。該團隊還在研究用碳材料打造汽車輔助駕駛系統(tǒng)中的紅外監(jiān)控攝像頭。夜間安全行駛是輔助駕駛須攻克的難關(guān)之一。由于碳材料在近紅外感光性極好，用在夜視設備上可以達到極高清晰度，且對不發(fā)熱的物體以及濃霧中的物體也能成像，遠勝于目前常用的紅外熱像儀。
夢想熠熠生輝，但前路并非一片坦蕩。從實驗室到產(chǎn)品的這個中間環(huán)節(jié)在科技界有“死亡谷”之稱。想要跨越“死亡谷”、走上工程化的坦途，除了更多的技術(shù)難關(guān)需要科學家攻破，來自國家和企業(yè)的支持與合作也必不可少。2014年6月，《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》發(fā)布，集成電路產(chǎn)業(yè)被定義為支撐經(jīng)濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎性和先導性產(chǎn)業(yè)。當年9月，國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金成立，首期規(guī)模1200億元。《中國制造2025》明確提出，2020年芯片自給率要達到40%，2025年達到50%。“相對于一些時髦的新應用技術(shù)，類似芯片這樣的基礎性研究應該獲得更多的關(guān)注，因為它對于一個國家的科技實力提升起著更為核心和支撐的作用。”彭練矛說。
文章鏈接：
Chenguang Qiu, et al, "Scaling carbon nanotube complementary transistors to 5-nm gate lengths," Science 20 Jan 2017: Vol. 355, Issue 6322, pp. 271-276, DOI: 10.1126/science.aaj1628 
