如果矽基走到了盡頭，那麼(me)全球半導體産業必須找到新的材料“續命”。2009年，半導體技術發(fā)展路線圖委員會(ITRS)將(jiāng)碳基納米材料列入延續摩爾定律的未來集成(chéng)電路技術選項，但是在其後(hòu)的時間裡(lǐ)，碳納米材料的研究進(jìn)展并沒(méi)有給業界交出滿意答卷。
近日，中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)電子學(xué)系教授彭練矛和張志勇教授團隊宣布他們把碳基半導體技術從實驗室研究向(xiàng)産業化應用推進(jìn)了一大步。5月22日，該團隊在《科學(xué)》(Science)雜志發(fā)表《用于高性能(néng)電子學(xué)的高密度半導體碳納米管平行陣列》論文，介紹了其最新發(fā)展的多次提純和維度限制自組裝方法。由于解決了長(cháng)期困擾碳基半導體材料制備的問題，這(zhè)個方法的成(chéng)果令業界振奮，但從實驗室到産業化還(hái)必須經(jīng)曆漫長(cháng)的路。
高性能(néng)碳納米管的重大飛躍
每一種(zhǒng)技術都(dōu)有它的生命周期，現有的矽基芯片制造技術即將(jiāng)觸碰其極限，碳納米管技術被認爲是後(hòu)摩爾技術的重要選項之一。
相對(duì)于傳統的矽基CMOS晶體管，碳管晶體管具有明顯的速度和功耗綜合優勢。IBM的理論計算表明，若完全按照現有二維平面(miàn)框架設計，碳管技術相較矽基技術具有15代、至少30年以上的優勢。斯坦福大學(xué)的系統層面(miàn)的模拟表明，碳管技術還(hái)有望將(jiāng)常規的二維矽基芯片技術發(fā)展成(chéng)爲三維芯片技術，將(jiāng)目前的芯片綜合性能(néng)提升1000倍以上。
業界對(duì)碳納米管寄予厚望，2017年在台積電IEDM大會上，台積電CTO孫元成(chéng)就報告了關于碳納米管的消息。
但碳管技術“理想很豐滿，現實很骨感”，碳基在理論上和模拟層面(miàn)的理想值曾讓IBM和英特爾爲此進(jìn)行了很多年的探索，但是都(dōu)遇到了瓶頸。2005年，Intel的器件專家發(fā)表論文，結論是無法制備出性能(néng)超越矽基n型晶體管的碳納米管器件，其後(hòu)Intel放棄了碳基集成(chéng)電路技術。在技術路線上，IBM與英特爾都(dōu)選擇了傳統的“摻雜”工藝制備碳納米管晶體管。
彭練矛院士和張志勇團隊在2001年進(jìn)入該領域，選擇了與英特爾IBM不同的另外一條路，發(fā)展了一整套碳納米管CMOS集成(chéng)電路和光電器件的“無摻雜制備技術”。在2017年首次制備出栅長(cháng)5納米的碳管晶體管這(zhè)一世界上迄今爲止最小的高性能(néng)晶體管，綜合性能(néng)比當時最好(hǎo)的矽基晶體管領先10倍，接近了量子極限，該成(chéng)果的論文發(fā)表在2017年的《科學(xué)》雜志上。
2018年，該團隊再次突破了傳統的理論極限，發(fā)展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶體管，能(néng)夠滿足未來超低功耗集成(chéng)電路的需要，爲超低功耗納米電子學(xué)的發(fā)展奠定了基礎，該論文發(fā)表在2018年的《科學(xué)》雜志上。
在今年5月22日發(fā)表在《科學(xué)》雜志的論文上，彭練矛院士和張志勇教授團隊闡述了其最新發(fā)展的多次提純和維度限制自組裝方法。這(zhè)個方法解決了長(cháng)期困擾碳基半導體材料制備的材料純度、密度和面(miàn)積問題，純度達到了99.99997%左右，密度從5納米到10納米，每微米100根到200根碳納米管，這(zhè)個材料基本上具備了做大規模集成(chéng)電路的可能(néng)性。
在此論文發(fā)表後(hòu)，杜克大學(xué)教授Aaron Franklin說，10年前他幫助IBM公司确定了碳納米管純度和密度的目标，當時很多人認爲這(zhè)無法實現。現在彭練矛和張志勇團隊實現了突破，“這(zhè)确實是一項了不起(qǐ)的成(chéng)就，是高性能(néng)碳納米管晶體管的重大飛躍。”Aaron Franklin表示。
北京碳基集成(chéng)電路研究院的技術人員向(xiàng)記者表示，碳基技術有着比矽基技術更優的性能(néng)和更低的功耗，性能(néng)功耗綜合優勢在5到10倍，這(zhè)意味着碳基芯片性能(néng)比相同技術節點的矽基芯片領先三代以上。比如采用90納米工藝的碳基芯片有望制備出性能(néng)和集成(chéng)度相當于28納米技術節點的矽基芯片;采用28納米工藝的碳基芯片則可以實現等同于7納米技術節點的矽基芯片。這(zhè)爲已經(jīng)走在極限值邊緣的全球半導體産業打開(kāi)了另外一扇大門。
對(duì)于彭練矛院士團隊的突破，元禾璞華管理合夥人、投委會主席陳大同表示：“彭院士團隊對(duì)于碳基半導體的研究絕對(duì)是世界級原創性技術，具有前瞻性，未來在半導體材料和芯片領域有非常大的優勢和機會。”2019年，中國(guó)科學(xué)院微電子所葉甜春所長(cháng)在參觀完4英寸碳基半導體實驗線時曾表示：“碳基半導體的研究和工業化實踐是中國(guó)第三代半導體産業中不可缺少的一個重要組成(chéng)部分。”
碳基半導體需穿越“死亡谷”
世界的進(jìn)步需要科學(xué)家不斷發(fā)現新物質規律和新理論，但從一扇窗變成(chéng)一條新路，需要龐大的創新鏈齊心協力。在矽基的技術路線上我們一直跟随，在碳基路線上中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)從理論和實驗上實現了世界級的突破。接下來我們該如何從實驗室的“123”，穿過(guò)“456”的“死亡谷”，進(jìn)入到産業化的“789”呢?
記者還(hái)記得2017年采訪彭練矛院士和張志勇教授時他們的焦慮：一個颠覆性技術，從實驗室到産業界，中間還(hái)需要進(jìn)行工程化研究，隻有工程化、成(chéng)熟化的技術，産業界才敢接手。
北京碳基集成(chéng)電路研究院于2018年9月正式登記成(chéng)立，它的發(fā)起(qǐ)單位有北京大學(xué)、中科院微電子所等多家單位，彭練矛院士擔任院長(cháng)。業内人士都(dōu)知道(dào)著名的比利時IMEC(大學(xué)校際微電子研究中心)實驗室，早期是由政府投資，現在其80%的收入來自企業，這(zhè)個頂級的實驗室對(duì)于全球集成(chéng)電路發(fā)展做出了巨大貢獻。包括英特爾、ARM、台積電等許多業界巨頭都(dōu)是它的客戶，這(zhè)些巨頭的新技術在進(jìn)入大規模生産線之前，其新技術工程化都(dōu)交給IMEC來完成(chéng)。碳基集成(chéng)電路的發(fā)展同樣需要這(zhè)樣的機構。目前來看，北京碳基集成(chéng)電路研究院的目标是希望成(chéng)爲碳基集成(chéng)電路産業的“IMEC”。
彭練矛對(duì)《中國(guó)電子報》記者表示：“北京碳基集成(chéng)電路研究院希望能(néng)夠在工程化方向(xiàng)上不斷前進(jìn)，做技術成(chéng)熟度由4到8的事(shì)情，最終將(jiāng)技術轉給企業。産業化和商業化的事(shì)情一定要由公司來做，研究院是做技術研發(fā)的。”
應該說，這(zhè)次北京碳基集成(chéng)電路研究院的“多次提純和維度限制自組裝方法”問世，將(jiāng)碳基技術從實驗室向(xiàng)工業化推進(jìn)了一大步，那麼(me)下一步還(hái)有哪些挑戰，還(hái)有哪些“死亡谷”需要穿越?
行業分析人士對(duì)《中國(guó)電子報》記者表示：“這(zhè)是很令人興奮的事(shì)情，但是從論文到新技術再到産品到商品有很長(cháng)的路要走，需要進(jìn)一步加大研發(fā)。目前已經(jīng)有很多新材料被研發(fā)出來，包括氮化镓、碳化矽等，但從長(cháng)期來看，矽還(hái)是難以被取代的。”
半導體業内分析人士韓曉敏認爲，碳基是集成(chéng)電路重要發(fā)展方向(xiàng)之一，但是目前産業生态中願意跟進(jìn)的企業還(hái)不多。還(hái)需進(jìn)一步突破成(chéng)本限制，在設備和器件等工藝方面(miàn)還(hái)需建立成(chéng)熟的規範流程，在産品方向(xiàng)上，與矽基芯片結合不緊密的領域有望最先突破。
從實驗室到産業化，中間的“死亡谷”有哪些“陷阱”和挑戰?本源量子是中國(guó)一家量子計算領域的創業公司，本源量子副總經(jīng)理張輝在接受《中國(guó)電子報》記者采訪時表示，從科研品到工業品，其中面(miàn)臨的挑戰包括資金的持續保證、理念的轉變以及與現有産業的兼容等。“與現有産業的兼容至關重要，如果現有半導體産業從儀器、設備、工藝流程上可大部分借用，那麼(me)將(jiāng)大大提升産業跟進(jìn)的速度。”他說。
事(shì)實上，矽基集成(chéng)電路産業之所以有今天的豐富、成(chéng)熟生态，每一個環節都(dōu)投入巨大。英特爾每年的研發(fā)投入占銷售收入超過(guò)20%，台積電過(guò)去5年的研發(fā)投入是3440億元。也正是因爲如此，産業鏈很難“棄矽另起(qǐ)爐竈”，所以兼容至關重要。
那麼(me)矽基生态鏈上相關技術與工藝設備流程，比如光刻機、軟件設計工具、測試儀器、生産工藝流程等，在碳基上是否能(néng)用?彭練矛院士給出的答案是：“使用率大約能(néng)達到80%~90%，但碳管材料的清洗、刻蝕等步驟需要特殊處理，碳管器件的模型需要單獨建立。”
目前解決了碳納米材料的純度、密度問題。“下一步還(hái)需要确保材料的工藝穩定性和均勻性，更重要的是和其他器件和IC制備的良好(hǎo)兼容性，這(zhè)是一個綜合的事(shì)情。現代芯片制備有上千個步驟，其中一步做不好(hǎo)，就沒(méi)有好(hǎo)的産品。最後(hòu)是一個系統優化的問題，材料、器件、芯片設計等密不可分。”彭練矛說。
碳納米管未來有很好(hǎo)的應用前景。“由于碳基材質的特殊性，它能(néng)讓電路做到像創可貼一樣柔軟，這(zhè)樣的柔性器械如果應用于醫療領域，將(jiāng)使患者擁有更加舒适的檢查體驗;在一些高輻射、高溫度的極端環境裡(lǐ)，碳基材質所制造出的機器人可以更好(hǎo)地代替人類執行危險系數高的任務;碳基技術若應用到智能(néng)手機上，因其擁有更低的功耗，將(jiāng)使待機時間延長(cháng)。”張志勇向(xiàng)記者介紹說。
5月26日，北京碳基集成(chéng)電路研究院舉行成(chéng)果發(fā)布儀式。TCL等幾家大企業的工業研究院相關人員也有到場，工業界關注的焦點是什麼(me)?“工業界還(hái)是關注技術何時能(néng)夠成(chéng)熟到可以被使用，包括成(chéng)本和可靠性等工程問題。”彭練矛表示，這(zhè)本就是企業該做的。
而工業界很難在一項技術還(hái)沒(méi)看到投資回報時進(jìn)行投入，如果碳基技術想要工程化，需要北京碳基集成(chéng)電路研究院成(chéng)爲碳基領域的“IMEC”。記者了解到，如果要繼續往前推進(jìn)，北京碳基集成(chéng)電路研究院按照200人的規模，再加上實驗平台，每年需要的資金約爲2億元，并且需要确保十年以上的資金投入，約爲20億元。但是直到現在，還(hái)沒(méi)有企業關注到該研究院的價值。
不久前，阿裡(lǐ)巴巴宣布未來3年將(jiāng)投入2000億元來研發(fā)芯片、雲操作系統等，而騰訊雲宣布將(jiāng)投入5000億元進(jìn)行新基建相關技術的研發(fā)。在雲計算的競争越來越激烈的當下，從雲操作系統到芯片全線布局，正在成(chéng)爲越來越多的巨頭的選擇。目前阿裡(lǐ)巴巴已經(jīng)有了“平頭哥”這(zhè)家芯片公司，那麼(me)未來騰訊有沒(méi)有可能(néng)也會進(jìn)入芯片領域呢?如果有可能(néng)，期望中國(guó)的巨頭企業能(néng)夠看到這(zhè)樣的信息，能(néng)夠關注到“碳基”集成(chéng)電路的新機會。