當(dāng)人類生活越來(lái)越離不開(kāi)手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品時(shí)，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(xué)家們正在探索用新材料來(lái)替代硅制造芯片，從而沖破芯片的物理極限。在這方面，中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)走在了世界前列，這也為中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的換道超車提供了可能。
圖：北京大學(xué)彭練矛團(tuán)隊(duì)研究生在做實(shí)驗(yàn)。（由該研究團(tuán)隊(duì)提供）
北京大學(xué)電子系教授彭練矛帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(xué)》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(huì)。”彭連矛說(shuō)。
硅是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料。長(zhǎng)期以來(lái)，整個(gè)半導(dǎo)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(rèn)為，摩爾定律將在2020年左右達(dá)到終點(diǎn)，即硅材料晶體管的尺寸將無(wú)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(dāng)前硅芯片的材料，碳納米管就是主要的研究方向之一。美國(guó)斯坦福大學(xué)、IBM公司的研究人員都在致力于該領(lǐng)域的研究。國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖近年來(lái)多次引用彭練矛團(tuán)隊(duì)的工作，來(lái)證明碳納米管是一個(gè)重要的出路。彭練矛堅(jiān)信，碳納米管晶體管技術(shù)的突破對(duì)于中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)意義深遠(yuǎn)。
圖：464碳納米管晶體管模型圖片。（由該研究團(tuán)隊(duì)提供）
一直以來(lái)，芯片都是中國(guó)科技領(lǐng)域的短板。盡管中國(guó)是世界最大的半導(dǎo)體消費(fèi)國(guó)，目前國(guó)產(chǎn)芯片的自給率尚不足三成。據(jù)專業(yè)研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，2015年中國(guó)大陸芯片產(chǎn)業(yè)進(jìn)口花費(fèi)高達(dá)2307億美元，是原油進(jìn)口總額的1.7倍。此外，彭練矛指出中國(guó)自主研發(fā)的芯片多是低端芯片，中國(guó)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(guó)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(guó)巨大的市場(chǎng)和雄厚的資金更是為我們提供了廣闊前景。”彭練矛說(shuō)。彭練矛在2000年之前就開(kāi)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(gè)愛(ài)做夢(mèng)的人。
盡管每天面對(duì)的是顯微鏡下比紅細(xì)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(yùn)的未來(lái)圖景：連續(xù)使用若干天無(wú)需充電的智能手機(jī)；可穿戴、舒適的微型醫(yī)療傳感器；敏感性更高的機(jī)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(lái)的種種夢(mèng)想或?qū)⒃诓痪玫膶?lái)成為現(xiàn)實(shí)。“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(shuō)。
圖：彭練矛團(tuán)隊(duì)研究生在做實(shí)驗(yàn)。（拍攝者：王健）
由于能耗低，未來(lái)手機(jī)電池續(xù)航能力會(huì)大大提高。同時(shí)，安裝了這種高效芯片后，未來(lái)手機(jī)的攝像頭性能也將大大增強(qiáng)。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(tuán)隊(duì)已經(jīng)在著手研究碳材料的醫(yī)用傳感器，用來(lái)檢測(cè)血壓、心跳和血糖等生化指標(biāo)。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(jué)不到它的存在。該團(tuán)隊(duì)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?cái)z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(shè)備上可以達(dá)到極高清晰度，且對(duì)不發(fā)熱的物體以及濃霧中的物體也能成像，遠(yuǎn)勝于目前常用的紅外熱像儀。
夢(mèng)想熠熠生輝，但前路并非一片坦蕩。從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品的這個(gè)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(xué)家攻破，來(lái)自國(guó)家和企業(yè)的支持與合作也必不可少。2014年6月，《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》發(fā)布，集成電路產(chǎn)業(yè)被定義為支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國(guó)家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。當(dāng)年9月，國(guó)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(guó)制造2025》明確提出，2020年芯片自給率要達(dá)到40%，2025年達(dá)到50%。“相對(duì)于一些時(shí)髦的新應(yīng)用技術(shù)，類似芯片這樣的基礎(chǔ)性研究應(yīng)該獲得更多的關(guān)注，因?yàn)樗鼘?duì)于一個(gè)國(guó)家的科技實(shí)力提升起著更為核心和支撐的作用。”彭練矛說(shuō)。
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 
