1月20日，美國(guó)《科學(xué)》雜志刊登了北大電子學(xué)系主任彭練矛和物理電子學(xué)研究所副所長(zhǎng)張志勇課題組在碳納米管電子學(xué)領(lǐng)域取得的世界級(jí)突破：首次制備出5納米柵長(zhǎng)高性能碳納米管晶體管，并證明其性能超越同等尺寸硅基CMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，將晶體管性能推至理論極致。

全球的集成電路產(chǎn)業(yè)一直在摩爾定律的“照耀”下沿著硅基的路線前行，但當(dāng)主流的CMOS技術(shù)發(fā)展到10納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)之后，后續(xù)發(fā)展越來(lái)越受到來(lái)自物理規(guī)律和制造成本的限制，摩爾定律有可能面臨終結(jié)。20多年來(lái)，科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界一直在探索各種新材料和新原理的晶體管技術(shù)，期望替代硅基CMOS技術(shù)，但到目前為止，并沒(méi)有機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)10納米的新型器件，并且也沒(méi)有新型器件能夠在性能上真正超過(guò)最好的硅基CMOS器件。

在集成電路發(fā)展的道路上中國(guó)一直是個(gè)跟隨者。而彭練矛和張志勇課題組的成果已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了世界級(jí)突破，如果能夠在產(chǎn)業(yè)化和工程化上提速，有可能帶領(lǐng)中國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)從跟隨走到領(lǐng)先陣營(yíng)。問(wèn)題是對(duì)于這樣一個(gè)顛覆性技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)化需要很長(zhǎng)的時(shí)間投入和更多的產(chǎn)業(yè)生態(tài)加盟，而目前中國(guó)并沒(méi)有碳基電子國(guó)家戰(zhàn)略，對(duì)于前沿技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，我們應(yīng)該怎么辦？

碳基超越硅基？

目前，全球集成電路芯片的器件中有約90%都源于硅基CMOS技術(shù)，而隨著晶體管尺寸的縮小，其后續(xù)發(fā)展越來(lái)越受到來(lái)自物理規(guī)律和制造成本的限制。在2005年，國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)線路圖(ITRS)委員會(huì)首次明確指出在2020年前后硅基CMOS技術(shù)將達(dá)到其性能極限。后摩爾時(shí)代的集成電路技術(shù)的研究變得日趨急迫，很多人認(rèn)為微電子工業(yè)在走到7納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)之后可能不得不面臨放棄繼續(xù)使用硅材料作為晶體管導(dǎo)電溝道。在為數(shù)不多的可能替代材料中，碳基納米材料特別是碳納米管被公認(rèn)為最有可能替代硅材料。

2008年ITRS新興研究材料和新興研究器件工作組在考察了所有可能的硅基CMOS替代技術(shù)之后，明確向半導(dǎo)體行業(yè)推薦重點(diǎn)研究碳基電子學(xué)，作為未來(lái)5~10年顯現(xiàn)商業(yè)價(jià)值的下一代電子技術(shù)。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)(NSF)十余年來(lái)除了在美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃中繼續(xù)對(duì)碳納米材料和相關(guān)器件給予重點(diǎn)支持外，在2008年還專門啟動(dòng)了“超過(guò)摩爾定律的科學(xué)與工程項(xiàng)目”，其中碳基電子學(xué)研究被列為重中之重。其后美國(guó)不斷加大對(duì)碳基電子學(xué)研究的投入，美國(guó)國(guó)家納米計(jì)劃從2010年開(kāi)始將“2020年后的納米電子學(xué)”設(shè)置為3個(gè)重中之重的成名計(jì)劃(signatureinitiatives)之一。除美國(guó)外，歐盟和其他各國(guó)政府也高度重視碳納米材料和相關(guān)電子學(xué)的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用，布局和繼續(xù)搶占信息技術(shù)核心領(lǐng)域的制高點(diǎn)。

碳基電子學(xué)研究重要意義不言而喻，這關(guān)乎集成電路的未來(lái)“變軌”。事實(shí)上，美國(guó)不僅僅是研究機(jī)構(gòu)加碼投入，IBM等IT大公司也在積極部署集成電路產(chǎn)業(yè)的“改朝換代”計(jì)劃。2014年，IBM宣布投入30億美元研發(fā)新的半導(dǎo)體工藝和新的替代性材料與技術(shù)。彭練矛教授在接受采訪時(shí)透露，目前IBM在碳納米管研究方向上采用的是摻雜制備方法，而彭練矛與張志勇課題組采用的是無(wú)摻雜制備方法，這是全球首創(chuàng)的，他們課題組經(jīng)過(guò)10多年的研究，開(kāi)發(fā)出無(wú)摻雜制備方法，研制的10納米碳納米管頂柵CMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其p型和n型器件在更低工作電壓(0.4V)下，性能均超過(guò)了目前最好的、在更高工作電壓(0.7V)下工作的硅基CMOS晶體管?，F(xiàn)在，他們又克服了尺寸縮小的工藝限制，成功開(kāi)發(fā)出5納米柵長(zhǎng)碳納米晶體管，其性能接近了由量子力學(xué)原理決定的理論極限。

研究表明，與相同柵長(zhǎng)的硅基CMOS器件相比，碳納米管CMOS器件具有10倍左右的速度和動(dòng)態(tài)功耗綜合優(yōu)勢(shì)以及更好的可縮減性。他們還研究了器件整體尺寸的縮減及其對(duì)器件性能的影響，將碳管器件的接觸電極長(zhǎng)度縮減到25納米，在保證性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了整體尺寸為60納米的碳納米晶體管，并且成功演示了整體長(zhǎng)度為240納米的碳管CMOS反相器，這是目前實(shí)現(xiàn)的最小納米反相器電路。

彭練矛表示，今年北大團(tuán)隊(duì)將基于碳基技術(shù)做出幾千門級(jí)的通用CPU，這相當(dāng)于英特爾上世紀(jì)70年代第一款商用CPU，明、后年將做出1兆內(nèi)存，接近上千萬(wàn)個(gè)晶體管，達(dá)到英特爾上世紀(jì)90年代水平。如果有更多熟悉硅工藝和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)的人才加盟，產(chǎn)業(yè)化所需的財(cái)力及時(shí)到位，碳納米管集成電路工程化和產(chǎn)業(yè)化的步伐將大大加快，5年之內(nèi)有望讓碳納米管芯片進(jìn)入市場(chǎng)。

硅基集成電路產(chǎn)業(yè)今天的成就是60多年發(fā)展的結(jié)果，僅英特爾一家在2016年投入的研發(fā)基金就高達(dá)120余億美元。硅基技術(shù)從材料到制備到軟件及整個(gè)生態(tài)的發(fā)展已非常成熟，而碳基技術(shù)僅是在理論和實(shí)驗(yàn)室得到了證實(shí)，要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在市場(chǎng)上立住腳，還有很長(zhǎng)的路要走。

套用一句俗語(yǔ)，可以說(shuō)碳基產(chǎn)業(yè)相比于硅基產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)可以預(yù)見(jiàn)前途是光明的，但產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化之路依然是曲折和漫長(zhǎng)的。

中國(guó)是投入還是等待？

也許有人會(huì)問(wèn)，硅基產(chǎn)業(yè)仍在蓬勃發(fā)展，90%的集成電路產(chǎn)業(yè)資源都集中在硅基道路上，有必要另辟蹊徑看尚在“襁褓”中的其他路徑嗎？答案是必須的，每一個(gè)產(chǎn)業(yè)都有其生命周期，硅基也有“一條道走，總有一天有可能走到黑”的時(shí)候。大家都在另辟蹊徑，中國(guó)應(yīng)該采取什么樣的態(tài)度？

中國(guó)要想擺脫集成電路一直跟隨的狀態(tài)，就必須制定“碳基電子國(guó)家戰(zhàn)略”。中國(guó)的信息產(chǎn)業(yè)一直希望彎道超車，碳基有可能是最好的彎道之一，目前中國(guó)科學(xué)家們已經(jīng)從理論和原創(chuàng)技術(shù)上做出了領(lǐng)先世界的東西，我們應(yīng)該抓住這樣的機(jī)會(huì)。

從《科學(xué)》雜志發(fā)表的文章顯示來(lái)看，彭練矛、張志勇課題組所研發(fā)的成果已經(jīng)超越了IBM目前碳基路線上的成果。關(guān)于彭練矛、張志勇課題組所做出來(lái)的成果，記者采訪了一些國(guó)外IT巨頭企業(yè)的研究機(jī)構(gòu)，從他們的判斷來(lái)看，這篇文章的貢獻(xiàn)是研制了5納米的碳納米管器件，并且首次在性能指標(biāo)上優(yōu)于已經(jīng)發(fā)表的最好硅基CMOS晶體管，但碳納米管產(chǎn)業(yè)化還有很長(zhǎng)大的路需要走。

這樣的原創(chuàng)性技術(shù)突破是中國(guó)IC產(chǎn)業(yè)突圍的一個(gè)千載難逢的機(jī)會(huì)，但要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、工程化，還有相當(dāng)長(zhǎng)的一段路要走，需要更大的生態(tài)加盟，需要從國(guó)家層面有戰(zhàn)略布局。

除了應(yīng)該制定“碳基電子國(guó)家戰(zhàn)略”，另一個(gè)維度是這樣基礎(chǔ)性技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化如何以市場(chǎng)化的方式進(jìn)行推動(dòng)？彭練矛團(tuán)隊(duì)連續(xù)4次獲得國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目的支持，接下來(lái)要進(jìn)行的工程化、產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化需要不一樣的體制機(jī)制，需要通過(guò)企業(yè)行為來(lái)落地。2015年，彭練矛團(tuán)隊(duì)在北京市科委和北京首都科技集團(tuán)的支持下，成立了北京華碳元芯電子科技公司，希望加速推進(jìn)這個(gè)課題的工程化，目前公司在原有的研發(fā)團(tuán)隊(duì)基礎(chǔ)上又招聘了10余名專職工程技術(shù)人員。

但目前來(lái)看，其資源配備和支持力度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠：一方面，他們需要有硅基產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)的人才加盟來(lái)提供對(duì)碳基技術(shù)產(chǎn)業(yè)化有參照意義的經(jīng)驗(yàn)；另一方面，記者認(rèn)為，他們需要獲得IT大企業(yè)或者互聯(lián)網(wǎng)巨頭企業(yè)的支持，來(lái)加速其工程化和產(chǎn)業(yè)化。IBM和英特爾這樣的芯片巨頭企業(yè)的研究成果之所以能快速變成產(chǎn)業(yè)，很關(guān)鍵的原因是他們有錢、有產(chǎn)業(yè)資源。事實(shí)上，現(xiàn)在包括谷歌、臉書(shū)等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)都在加入更前沿技術(shù)的研發(fā)和投入，中國(guó)的BAT或許也應(yīng)該對(duì)此具有戰(zhàn)略眼光，看到它的巨大的價(jià)值和深遠(yuǎn)意義。

碳芯片技術(shù)至少5年之后才看到商品的雛形，形成產(chǎn)業(yè)化的東西或許還得更長(zhǎng)，而從目前市場(chǎng)化資金來(lái)看，風(fēng)險(xiǎn)投資只投入5年之內(nèi)有可能變現(xiàn)的高成長(zhǎng)項(xiàng)目和企業(yè)。那么誰(shuí)來(lái)接盤這個(gè)顛覆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，誰(shuí)來(lái)讓這個(gè)中國(guó)原創(chuàng)領(lǐng)先世界的技術(shù)變成現(xiàn)實(shí)，助推中國(guó)集成電路事業(yè)“換軌超車”，我們期待富有遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)的大家給出更好的建議和答案。