日前，中國(guó)科學(xué)院院士、北大信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院彭練矛教授在參加會(huì)議時(shí)表示：

目前中國(guó)芯片技術(shù)整體產(chǎn)業(yè)鏈面臨被“卡脖子”的狀況，關(guān)鍵因素在于中國(guó)在芯片技術(shù)領(lǐng)域沒(méi)有核心技術(shù)和自主研發(fā)能力，沒(méi)有主導(dǎo)芯片從材料、設(shè)計(jì)到生產(chǎn)裝備的全套技術(shù)中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)。沒(méi)有芯片技術(shù)，就沒(méi)有中國(guó)的現(xiàn)代化。實(shí)現(xiàn)由中國(guó)主導(dǎo)芯片技術(shù)的直道超車(chē)，就是碳基電子的定位和使命。碳基電子的終極使命就是在現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)下?lián)P長(zhǎng)避短，從材料開(kāi)始，全面突破現(xiàn)有的主流半導(dǎo)體技術(shù)，研制出中國(guó)完全自主可控的芯片技術(shù)，在主流芯片領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。

今年 5 月，北京元芯碳基集成電路研究院宣布，由該院中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)教授彭練矛和張志勇教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，解決了長(zhǎng)期困擾碳基半導(dǎo)體材料制備的純度、密度與面積等瓶頸問(wèn)題。彭練矛院士宣稱(chēng)，與國(guó)外硅基技術(shù)制造出來(lái)的芯片相比，我國(guó)碳基技術(shù)制造出來(lái)的芯片在處理大數(shù)據(jù)時(shí)不僅速度更快，而且至少節(jié)約 30% 的功耗。

半導(dǎo)體技術(shù)是一個(gè)國(guó)家發(fā)展高科技產(chǎn)業(yè)的核心

去過(guò)的幾十年，在基于硅基 CMOS 技術(shù)的傳統(tǒng)芯片領(lǐng)域，中國(guó)一直處于相對(duì)落后的境地。而美日韓等國(guó)家，牢牢掌握了材料、設(shè)計(jì)、裝備的方方面面，在摩爾定理的推動(dòng)下高歌猛進(jìn)，不斷刷新工藝極限。不過(guò)，近 10 年以來(lái)，傳統(tǒng)硅基芯片受工藝限制，發(fā)展速度日益緩慢，從 14nm 到 7nm，再到 5nm、3nm，越來(lái)越難，逼近硅芯片的極限。

對(duì)于 3nm 以下的芯片工藝，各大半導(dǎo)體廠(chǎng)商都沒(méi)有明確的答案。美國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（成員包括英特爾、AMD 和 Global Foundries）的一份報(bào)告稱(chēng)：到 2021 年，硅晶體管尺寸的縮小，將不再是一件經(jīng)濟(jì)可行的事情。取而代之的是，芯片將以另一種方式發(fā)生變化。科學(xué)家試圖尋找能夠替代硅的芯片材料，其中碳納米管晶體管（簡(jiǎn)稱(chēng)“碳管”）就是頗具研究?jī)r(jià)值的方向。

核心技術(shù)領(lǐng)跑?chē)?guó)際

30 余年以來(lái)，彭練矛始終堅(jiān)守在科研攻關(guān)的一線(xiàn)：他在電子顯微學(xué)領(lǐng)域發(fā)展了可以精確處理一般材料體系反射和透射電子衍射、彈性和非彈性電子散射的理論框架；在碳基電子學(xué)領(lǐng)域，發(fā)展了整套碳基CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）集成電路無(wú)摻雜制備新技術(shù)，首次制備出性能接近理論極限，柵長(zhǎng)僅 5nm 的碳管晶體管，實(shí)現(xiàn)了綜合性能超越硅基器件十余倍的“中國(guó)奇跡”。

2000 年，彭練矛帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)從零開(kāi)始，探究用碳納米管材料制備集成電路的方法。功夫不負(fù)有心人。在經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)追趕之后，臥薪嘗膽的彭練矛終于迎來(lái)了他在納米電子學(xué)研究中的第一項(xiàng)標(biāo)志性成果 — 碳管制備技術(shù)的初步突破，同時(shí)，正式將碳管材料和碳基芯片作為團(tuán)隊(duì)主要研究方向。

又經(jīng)過(guò)十年的技術(shù)攻堅(jiān)，彭練矛團(tuán)隊(duì)放棄傳統(tǒng)摻雜工藝，終于突破了 N 型碳管制備這一跨世紀(jì)難題，創(chuàng)造性地研發(fā)了一整套高性能碳納米管晶體管的無(wú)摻雜制備方法，并在 2017 年首次制備出柵長(zhǎng) 5nm 的晶體管。這一世界上迄今最小的高性能晶體管，綜合性能比目前最好的硅基晶體管領(lǐng)先十倍，接近了理論極限。2018 年，團(tuán)隊(duì)再次突破了傳統(tǒng)的理論極限，發(fā)展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶體管；同年，用高性能的晶體管制備出集成電路，最高速度達(dá)到了 5 × 103MHz，不僅躋身與斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)同步的國(guó)際領(lǐng)跑行列，而且在最關(guān)鍵的核心技術(shù)上是世界領(lǐng)先的。

打破傳統(tǒng)半導(dǎo)體企業(yè)優(yōu)勢(shì)

碳基芯片的成功，或?qū)⒔K結(jié)美國(guó)開(kāi)創(chuàng)的硅基芯片產(chǎn)業(yè)。新材料將通過(guò)全新物理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)全新的邏輯。那么到時(shí)候，芯片設(shè)計(jì)廠(chǎng)商、芯片設(shè)備廠(chǎng)商、晶圓加工廠(chǎng)商原有的壟斷格局將徹底打破，所有的技術(shù)積累都將全部清零，主導(dǎo)國(guó)家將會(huì)獲得新一代技術(shù)控制權(quán)。

比如，目前芯片設(shè)計(jì)都需要 EDA 軟件，可以說(shuō)，目前全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)都是圍繞 EDA 工具設(shè)計(jì)的芯片展開(kāi)工作。EDA 三巨頭 Synopsys、Cadence 和 Mentor Graphics 壟斷了 95% 的市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)化份額僅 5%，跟國(guó)外先進(jìn)水平存在著巨大的差距。一旦進(jìn)入碳基芯片時(shí)代，芯片設(shè)計(jì)方法也需應(yīng)勢(shì)升級(jí)，根據(jù)阿里達(dá)摩院的預(yù)測(cè)，基于芯粒（chiplet）的模塊化設(shè)計(jì)方法可取代傳統(tǒng)方法，可以跳過(guò)流片，快速定制出一個(gè)符合應(yīng)用需求的芯片，讓芯片設(shè)計(jì)變得像搭積木一樣快速，進(jìn)一步加快了芯片的交付。

同理，一旦新方案終結(jié)了硅基芯片，那么晶圓的生產(chǎn)工藝就完全一樣了，新的芯片制造流程將應(yīng)運(yùn)而生，相比硅基芯片，工藝更加簡(jiǎn)單?；蛟S我們可以研發(fā)出新的設(shè)備，繞過(guò) EUV 光刻機(jī)，以全新的流程完成對(duì)芯片的配置。即便還需要光刻機(jī)，同性能的硅基芯片，對(duì)光刻機(jī)的精度要求遠(yuǎn)沒(méi)有如今這么高，甚至對(duì)光刻機(jī)的工藝要求也不一樣，ASML 的市場(chǎng)壟斷將被打破。