彭練矛院士(受訪者供圖)
人民網北京1月28日電 (記者林露)2000年起，彭練矛帶領團隊開展碳納米管電子學研究，至今已歷經21個春秋。缺少資金、項目遇到瓶頸、短期難以獲得收益……期間，國內外不少團隊因為各種原因放棄了在該領域的研究。“心中有信念，才能堅持走到今天。事實證明，我們的堅持是對的，實現了從0到1的突破，從無到有地發展了整套自主的碳芯片技術，為後續自主可控的碳基集成電路的產業發展打下了良好基礎。”近日，中國科學院院士、北京大學碳基電子學研究中心主任彭練矛接受人民網記者專訪時表示。
“碳基芯片將成為智慧城市運行發展最佳選擇”
碳芯片技術的發展對於人們生活的影響廣泛而深遠。彭練矛介紹説，短期來講，5G技術的來臨將使城市變成“智慧城市”，信息化、工業化、城鎮化深度融合，市民衣食住行會發生很大改變，幸福指數也會隨之升高。“智慧城市”離不開海量的數據運算，需要有強大處理能力的芯片支撐。“智慧城市”的背後，是一個個處理速度更快、體積更小、功耗更低、性能更好的芯片組成的電子高速通道網。5G之後的6G技術將對芯片有更高要求，碳基芯片無疑將成為支撐基於這些技術運行的智慧城市發展的最佳選擇。
健康醫療、可穿戴電子設備、物聯網和生物兼容性器件……碳基集成電路還可以廣泛應用於上述領域。彭練矛舉例説，在醫學領域，可以充分利用碳基材料能彎曲、摺疊、扭曲、壓縮、拉伸甚至變成任意形狀的特點，製作成柔性電子檢測傳感器。這種傳感器的靈敏度非常高，可以對癌症、心腦血管疾病、遺傳疾病和傳染病等做出早期診斷。值得關注的是，碳基柔性傳感器成本低易於推廣，體積小便於攜帶，抗輻照不畏危險環境，將對提高患者就醫體驗、提高就診效率、減輕醫生看診壓力產生重要影響。
碳芯片技術的研發是個系統工程，需要全方位考慮，從材料、設備到計算機輔助設計工具缺一不可。彭練矛認為，碳芯片技術的研發可以通過藉助許多硅基技術發展的經驗，把重點集中於碳基材料的製備，碳基晶體管制備的特殊要求和工藝，碳芯片於柔性和透明基底的兼容性以及超高頻率特性所帶來的新的應用場景，碳芯片低温工藝所能提供的獨特的3維單片集成芯片設計所需的計算機輔助工具等。
重返北大 加入納米電子“追夢人”行列
1982年，彭練矛從北京大學無線電電子學系畢業後，在美國、英國留學和工作了10餘年，主要從事電子顯微學領域的工作。1994年底，彭練矛回國，他想要在中國幹出一番事業。“起初我只是延續之前的研究方向開展工作，到了世紀之交，機會出現了。”彭練矛回憶説，一方面，納米科技如火如荼地在全球興起，極大促進了科研工作者對具有特殊性能的納米功能材料進行研究的熱情，這些材料中的一個傑出代表就是碳納米管材料。另一方面，2005年，國際半導體技術路線圖委員會明確指出，傳統硅基CMOS技術在2020年左右達到其性能極限。面對硅基芯片技術所遇到的困境，將具有極其優異性能的碳納米管材料應用於後摩爾時代的芯片技術，成為全球無數科研工作者的夢想。
1999年4月，彭練矛重返北大，加入納米電子“追夢人”行列。此後的6年，他所在的研究團隊基本上都在跟隨國際前沿。“2007年，我們團隊取得了第一個重要突破——製備出國際首個性能超越硅基器件性能的CMOS器件——N型碳管晶體管。”彭練矛介紹説。通過解決這一世界難題，彭練矛團隊作為主角正式邁入了碳基芯片研究的國際舞台。
2005年，Intel先進器件研究組發表的一篇文章指出，他們發現採用傳統的半導體摻雜工藝無法制備出性能超越硅基CMOS的碳納米管器件。2006年，Intel公開宣佈放棄碳納米管方案。彭練矛告訴記者，由於瞭解到採用傳統摻雜方式無法制備出超越硅基技術的集成電路，他所在的團隊很早就開始探索無摻雜技術。2007年，該團隊在碳納米管CMOS集成電路無摻雜製備方面取得了突破，2017年將碳基器件的尺寸縮減到5納米水平，其器件性能接近理論極限，綜合指標超越了硅基器件的十餘倍。到了2020年，該團隊在規模用高性能碳納米管集成電路用材料的研究過程中再次取得了重要突破，首次達到大規模碳基集成電路用碳納米管陣列所需的純度和密度，並採用這種材料首先實現了性能超越硅基集成電路，電路的頻率超過了8GHz，比之前世界上最好的、由IBM團隊2017年創造的280MHz的頻率提升了幾十倍。
“15年之後碳芯片技術有望成為主流芯片技術”
“在實驗室，我們和美國的同事們已經證明了碳納米管晶體管相較最先進的硅基晶體管有十餘倍的綜合優勢。此外，基於碳納米管晶體管技術所能構建的三維芯片框架，能把芯片性能成百上千倍地提高。”彭練矛表示，雖然目前最複雜的碳納米管芯片的集成度只有幾萬個晶體管，與先進的硅基芯片的上百億個晶體管相比有天壤之別。但是，碳納米管技術能夠提供的芯片性能也是硅基芯片遠遠不可能達到的。與硅基半導體技術相比，目前碳基技術的集成成熟度還不夠，需要國家大力推進。
談及碳芯片技術的產業化，彭練矛表示，首先需要投入資金和時間，沒有類似硅基集成電路千億元量級的投入和10-15年的研發時間，碳芯片技術是不可能成熟的。在這些前提條件下，碳芯片產業化應該會在一些傳統半導體技術不太適合的領域率先得到發展，例如對於未來互聯網至關重要的高性能薄膜和傳感電子,包括柔性可穿戴電子等領域；其次是目前傳統半導體技術夠不着的亞毫米波乃至太赫茲電子技術，特別是未來6G技術所需的能夠在90GHz以上頻段使用的集成電路技術。
“我國發展碳芯片面臨的最大挑戰不是來自技術，而是一個最根本的判斷：硅基半導體技術可以一直走下去，再主導芯片技術幾十年，而在這個過程中我國成功逆襲取得硅基芯片技術主導權。但未來芯片技術的發展情況可能不是這樣。”彭練矛認為，在國家重視且科研經費充足的情況下，預計3-5年後碳基技術能夠在一些特殊領域得到小規模應用；預計在未來10-15年的時間內，硅碳融合技術將成為主流；預計15年之後碳基芯片有望據其高性能、低功耗和多樣性的優勢，隨着產品更迭逐漸成為主流芯片技術。“我們相信科學，堅信既然科學已證明碳基芯片的天花板要遠遠高於硅基技術的天花板，而相應地成百上千倍的芯片性能提升也足夠支持未來的信息技術繼續發展幾十年。即使面臨再大的困難，也值得去堅持。”