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投入or等待 中国集成电路产业能否“换道超车”?

导读: 1月20日,美国《科学》杂志刊登了北大电子学系主任彭练矛和物理电子学研究所副所长张志勇课题组在碳纳米管电子学领域取得的世界级突破:首次制备出5纳米栅长高性能碳纳米管晶体管,并证明其性能超越同等尺寸硅基CMOS场效应晶体管,将晶体管性能推至理论极致。

1月20日,美国《科学》杂志刊登了北大电子学系主任彭练矛和物理电子学研究所副所长张志勇课题组在碳纳米管电子学领域取得的世界级突破:首次制备出5纳米栅长高性能碳纳米管晶体管,并证明其性能超越同等尺寸硅基CMOS场效应晶体管,将晶体管性能推至理论极致。

全球的集成电路产业一直在摩尔定律的“照耀”下沿着硅基的路线前行,但当主流的CMOS技术发展到10纳米技术节点之后,后续发展越来越受到来自物理规律和制造成本的限制,摩尔定律有可能面临终结。20多年来,科学界和产业界一直在探索各种新材料和新原理的晶体管技术,期望替代硅基CMOS技术,但到目前为止,并没有机构能够实现10纳米的新型器件,并且也没有新型器件能够在性能上真正超过最好的硅基CMOS器件。

集成电路发展的道路上中国一直是个跟随者。而彭练矛和张志勇课题组的成果已经在实验室中实现了世界级突破,如果能够在产业化和工程化上提速,有可能带领中国的集成电路产业从跟随走到领先阵营。问题是对于这样一个颠覆性技术,其产业化需要很长的时间投入和更多的产业生态加盟,而目前中国并没有碳基电子国家战略,对于前沿技术的产业化,我们应该怎么办?

投入or等待 中国集成电路产业能否“换道超车”?

碳基超越硅基?

目前,全球集成电路芯片的器件中有约90%都源于硅基CMOS技术,而随着晶体管尺寸的缩小,其后续发展越来越受到来自物理规律和制造成本的限制。在2005年,国际半导体技术线路图(ITRS)委员会首次明确指出在2020年前后硅基CMOS技术将达到其性能极限。后摩尔时代的集成电路技术的研究变得日趋急迫,很多人认为微电子工业在走到7纳米技术节点之后可能不得不面临放弃继续使用硅材料作为晶体管导电沟道。在为数不多的可能替代材料中,碳基纳米材料特别是碳纳米管被公认为最有可能替代硅材料。

2008年ITRS新兴研究材料和新兴研究器件工作组在考察了所有可能的硅基CMOS替代技术之后,明确向半导体行业推荐重点研究碳基电子学,作为未来5~10年显现商业价值的下一代电子技术。美国国家科学基金委员会(NSF)十余年来除了在美国国家纳米技术计划中继续对碳纳米材料和相关器件给予重点支持外,在2008年还专门启动了“超过摩尔定律的科学与工程项目”,其中碳基电子学研究被列为重中之重。其后美国不断加大对碳基电子学研究的投入,美国国家纳米计划从2010年开始将“2020年后的纳米电子学”设置为3个重中之重的成名计划(signature initiatives)之一。除美国外,欧盟和其他各国政府也高度重视碳纳米材料和相关电子学的研究和开发应用,布局和继续抢占信息技术核心领域的制高点。

碳基电子学研究重要意义不言而喻,这关乎集成电路的未来“变轨”。事实上,美国不仅仅是研究机构加码投入,IBM等IT大公司也在积极部署集成电路产业的“改朝换代”计划。2014年,IBM宣布投入30亿美元研发新的半导体工艺和新的替代性材料与技术。彭练矛教授在接受采访时透露,目前IBM在碳纳米管研究方向上采用的是掺杂制备方法,而彭练矛与张志勇课题组采用的是无掺杂制备方法,这是全球首创的,他们课题组经过10多年的研究,开发出无掺杂制备方法,研制的10纳米碳纳米管顶栅CMOS场效应晶体管,其p型和n型器件在更低工作电压(0.4V)下,性能均超过了目前最好的、在更高工作电压(0.7V)下工作的硅基CMOS晶体管。现在,他们又克服了尺寸缩小的工艺限制,成功开发出5纳米栅长碳纳米晶体管,其性能接近了由量子力学原理决定的理论极限。

研究表明,与相同栅长的硅基CMOS器件相比,碳纳米管CMOS器件具有10倍左右的速度和动态功耗综合优势以及更好的可缩减性。他们还研究了器件整体尺寸的缩减及其对器件性能的影响,将碳管器件的接触电极长度缩减到25纳米,在保证性能的前提下,实现了整体尺寸为60纳米的碳纳米晶体管,并且成功演示了整体长度为240纳米的碳管CMOS反相器,这是目前实现的最小纳米反相器电路。

彭练矛表示,今年北大团队将基于碳基技术做出几千门级的通用CPU,这相当于英特尔上世纪70年代第一款商用CPU,明、后年将做出1兆内存,接近上千万个晶体管,达到英特尔上世纪90年代水平。如果有更多熟悉硅工艺和产业化经验的人才加盟,产业化所需的财力及时到位,碳纳米管集成电路工程化和产业化的步伐将大大加快,5年之内有望让碳纳米管芯片进入市场。

硅基集成电路产业今天的成就是60多年发展的结果,仅英特尔一家在2016年投入的研发基金就高达120余亿美元。硅基技术从材料到制备到软件及整个生态的发展已非常成熟,而碳基技术仅是在理论和实验室得到了证实,要想实现产业化,在市场上立住脚,还有很长的路要走。

套用一句俗语,可以说碳基产业相比于硅基产业,已经可以预见前途是光明的,但产业化和市场化之路依然是曲折和漫长的。

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