彭练矛院士(受访者供图)
人民网北京1月28日电 (记者林露)2000年起，彭练矛带领团队开展碳纳米管电子学研究，至今已历经21个春秋。缺少资金、项目遇到瓶颈、短期难以获得收益……期间，国内外不少团队因为各种原因放弃了在该领域的研究。“心中有信念，才能坚持走到今天。事实证明，我们的坚持是对的，实现了从0到1的突破，从无到有地发展了整套自主的碳芯片技术，为后续自主可控的碳基集成电路的产业发展打下了良好基础。”近日，中国科学院院士、北京大学碳基电子学研究中心主任彭练矛接受人民网记者专访时表示。
“碳基芯片将成为智慧城市运行发展最佳选择”
碳芯片技术的发展对于人们生活的影响广泛而深远。彭练矛介绍说，短期来讲，5G技术的来临将使城市变成“智慧城市”，信息化、工业化、城镇化深度融合，市民衣食住行会发生很大改变，幸福指数也会随之升高。“智慧城市”离不开海量的数据运算，需要有强大处理能力的芯片支撑。“智慧城市”的背后，是一个个处理速度更快、体积更小、功耗更低、性能更好的芯片组成的电子高速通道网。5G之后的6G技术将对芯片有更高要求，碳基芯片无疑将成为支撑基于这些技术运行的智慧城市发展的最佳选择。
健康医疗、可穿戴电子设备、物联网和生物兼容性器件……碳基集成电路还可以广泛应用于上述领域。彭练矛举例说，在医学领域，可以充分利用碳基材料能弯曲、折叠、扭曲、压缩、拉伸甚至变成任意形状的特点，制作成柔性电子检测传感器。这种传感器的灵敏度非常高，可以对癌症、心脑血管疾病、遗传疾病和传染病等做出早期诊断。值得关注的是，碳基柔性传感器成本低易于推广，体积小便于携带，抗辐照不畏危险环境，将对提高患者就医体验、提高就诊效率、减轻医生看诊压力产生重要影响。
碳芯片技术的研发是个系统工程，需要全方位考虑，从材料、设备到计算机辅助设计工具缺一不可。彭练矛认为，碳芯片技术的研发可以通过借助许多硅基技术发展的经验，把重点集中于碳基材料的制备，碳基晶体管制备的特殊要求和工艺，碳芯片于柔性和透明基底的兼容性以及超高频率特性所带来的新的应用场景，碳芯片低温工艺所能提供的独特的3维单片集成芯片设计所需的计算机辅助工具等。
重返北大 加入纳米电子“追梦人”行列
1982年，彭练矛从北京大学无线电电子学系毕业后，在美国、英国留学和工作了10余年，主要从事电子显微学领域的工作。1994年底，彭练矛回国，他想要在中国干出一番事业。“起初我只是延续之前的研究方向开展工作，到了世纪之交，机会出现了。”彭练矛回忆说，一方面，纳米科技如火如荼地在全球兴起，极大促进了科研工作者对具有特殊性能的纳米功能材料进行研究的热情，这些材料中的一个杰出代表就是碳纳米管材料。另一方面，2005年，国际半导体技术路线图委员会明确指出，传统硅基CMOS技术在2020年左右达到其性能极限。面对硅基芯片技术所遇到的困境，将具有极其优异性能的碳纳米管材料应用于后摩尔时代的芯片技术，成为全球无数科研工作者的梦想。
1999年4月，彭练矛重返北大，加入纳米电子“追梦人”行列。此后的6年，他所在的研究团队基本上都在跟随国际前沿。“2007年，我们团队取得了第一个重要突破——制备出国际首个性能超越硅基器件性能的CMOS器件——N型碳管晶体管。”彭练矛介绍说。通过解决这一世界难题，彭练矛团队作为主角正式迈入了碳基芯片研究的国际舞台。
2005年，Intel先进器件研究组发表的一篇文章指出，他们发现采用传统的半导体掺杂工艺无法制备出性能超越硅基CMOS的碳纳米管器件。2006年，Intel公开宣布放弃碳纳米管方案。彭练矛告诉记者，由于了解到采用传统掺杂方式无法制备出超越硅基技术的集成电路，他所在的团队很早就开始探索无掺杂技术。2007年，该团队在碳纳米管CMOS集成电路无掺杂制备方面取得了突破，2017年将碳基器件的尺寸缩减到5纳米水平，其器件性能接近理论极限，综合指标超越了硅基器件的十余倍。到了2020年，该团队在规模用高性能碳纳米管集成电路用材料的研究过程中再次取得了重要突破，首次达到大规模碳基集成电路用碳纳米管阵列所需的纯度和密度，并采用这种材料首先实现了性能超越硅基集成电路，电路的频率超过了8GHz，比之前世界上最好的、由IBM团队2017年创造的280MHz的频率提升了几十倍。
“15年之后碳芯片技术有望成为主流芯片技术”
“在实验室，我们和美国的同事们已经证明了碳纳米管晶体管相较最先进的硅基晶体管有十余倍的综合优势。此外，基于碳纳米管晶体管技术所能构建的三维芯片框架，能把芯片性能成百上千倍地提高。”彭练矛表示，虽然目前最复杂的碳纳米管芯片的集成度只有几万个晶体管，与先进的硅基芯片的上百亿个晶体管相比有天壤之别。但是，碳纳米管技术能够提供的芯片性能也是硅基芯片远远不可能达到的。与硅基半导体技术相比，目前碳基技术的集成成熟度还不够，需要国家大力推进。
谈及碳芯片技术的产业化，彭练矛表示，首先需要投入资金和时间，没有类似硅基集成电路千亿元量级的投入和10-15年的研发时间，碳芯片技术是不可能成熟的。在这些前提条件下，碳芯片产业化应该会在一些传统半导体技术不太适合的领域率先得到发展，例如对于未来互联网至关重要的高性能薄膜和传感电子,包括柔性可穿戴电子等领域；其次是目前传统半导体技术够不着的亚毫米波乃至太赫兹电子技术，特别是未来6G技术所需的能够在90GHz以上频段使用的集成电路技术。
“我国发展碳芯片面临的最大挑战不是来自技术，而是一个最根本的判断：硅基半导体技术可以一直走下去，再主导芯片技术几十年，而在这个过程中我国成功逆袭取得硅基芯片技术主导权。但未来芯片技术的发展情况可能不是这样。”彭练矛认为，在国家重视且科研经费充足的情况下，预计3-5年后碳基技术能够在一些特殊领域得到小规模应用；预计在未来10-15年的时间内，硅碳融合技术将成为主流；预计15年之后碳基芯片有望据其高性能、低功耗和多样性的优势，随着产品更迭逐渐成为主流芯片技术。“我们相信科学，坚信既然科学已证明碳基芯片的天花板要远远高于硅基技术的天花板，而相应地成百上千倍的芯片性能提升也足够支持未来的信息技术继续发展几十年。即使面临再大的困难，也值得去坚持。”