彭練矛院士：沒有芯片就沒有中國未來的現代化
2023當代傑出華人科學家公開講座
從芯突破 創見未來
彭練矛（中國科學院院士、北京大學電子學院院長）
主題：後摩爾時代的碳基電子學
當前，雲計算、大數據、人工智能、個性化醫療和健康監控領域，以及未來數字化和智慧化的發展，都離不開芯片。毫不誇張地說，芯片就是現代技術的驅動力，沒有芯片就沒有中國未來的現代化。
集成電路芯片中最重要的部分是晶體管，做好芯片最終就是要把晶體管做好。過去100多年，晶體管産品主要是歐洲、美國企業在做，如真空二極管、三極管的製造，而我國基本沒有相關貢獻。在如今的後摩爾時代，中國科學家對於碳納米管、二維半導體等新材料的研發及其在集成電路方面的應用，雖然已經做出了一些成就，但仍需加快追趕的步伐。
算力需求事關國家發展
人們常說，半導體的進程是1微米、0.7微米，以及常被提及的10納米、7納米、5納米。這些技術到底意味著什麽?
實際上，它們最早來自美國企業英特爾創始人之一戈登·摩爾在1965年提出的摩爾定律。其核心內容是，集成電路上可以容納的晶體管數目大約每經過18個月到24個月便會增加一倍。
所謂的微米、納米技術，即每升級一代，晶體管的數目就會增加一倍、面積大概縮小一半。但對於先進制程，如3納米技術來說，目前仍存在挑戰。晶體管的栅電極長度大概需要十幾納米，這個量級並不會更小，否則就會産生隧穿等問題。因此，5納米或3納米現在基本是個符號，與器件的物理尺寸無嚴格對應關係，代表著科技進步的方向。
上個世紀初以來，算力沿著並不十分嚴格的線性關係發展。美國貝爾實驗室在1947年發明晶體管之後，便用晶體管替代真空電子管製造電路，使算力大大增加。算力的需求基本是按照線性方式增加，摩爾定律也是如此，我們對算力的要求和技術所能提供的算力，在過去基本是匹配的。但現在發生了一個非常大的變化，在2012年之前，算力每24個月增加一倍，後來變爲三四個月增加一倍，2019年後發展到兩個月增加一倍。
今天，人們對算力的需求大幅提升。如何支撑算力快速發展的需求？這個問題决定著一個國家未來能否真正跟上發展的步伐。
半導體産業基本按照摩爾定律發展。上世紀八九十年代，由於日本半導體快速發展，美國半導體行業經歷了全球市場份額的重大損失。之後，美國通過“廣場協議”等手段壓制日本，使得美國經濟在接下來的10年中反彈，並在1997年重新獲得48%的全球市場，占據領導地位。
2022年，邏輯、存儲、模擬和微處理器占據了半導體行業領域78%的份額。美國主要半導體企業如英特爾，在前沿研發的投入約占其營收的20%，而中國在半導體行業的投入比例不到歐美國家的一半。要改變這個現狀，需要國家在其中發揮重要作用。同期，美國半導體市場份額占全球半導體50%左右，直接就業人數爲30.7萬。我國約占全球半導體市場份額的7%，但直接就業人數遠遠超過美國，極須提高效率。當前我國缺乏的不是一般的半導體操作人員，而是真正能够改變現狀的領軍人才。
材料是芯片技術進步的主要推動力
晶體管是集成電路芯片中最重要的部分，對於邏輯電路來說，超過90%的現代芯片由場效應晶體管（FET）構成，後者分爲電子型和空穴型。這兩類晶體管相當於人的兩條腿，配對工作可以使人平衡、往前走得更快。雖然器件有非常多的種類，但最核心、最關鍵的並不多，只要把最重要的晶體管性能做好，就能够實現趕超。
本世紀以來，整個晶體管的尺寸進入了亞100納米技術水平，晶體管性能已不能簡單地靠縮小體積來實現所需要的算力提升，材料的進步已經成爲晶體管技術進步的主要推動力，需引入各種各樣的新技術、新材料、新結構、新原理。但這樣的組合非常複雜，例如7納米晶體管製備需要2000多個步驟，使用了元素周期表上大概一半的元素，要想進一步改進非常困難。總而言之，半導體集成電路目前的發展已經趨於飽和，一代和一代的差別日益縮小，只有靠新材料、新架構才能使其性能大幅提高。
未來，非矽基材料和可能發展的技術有很多。2009年，國際半導體技術藍圖（ITRS）路線圖委員會（IRC）選擇碳基納米電子學作爲重點關注和投資的技術。碳納米管（1D）和傳統矽（3D）以及石墨烯（2D）比較，電子有效質量是矽材料的1/3，速度是10倍。IBM的“後矽時代”預測，碳納米管技術的優勢在於材料結構和物性優勢，使碳納米管晶體管實現高速、低功耗。更重要的是，碳納米管的低溫製備使得3D芯片製備成爲可能，而3D芯片在結構理論上可將芯片的性能提高成百上千倍，特別是對于AI計算，最高可實現1900多倍的性能提升。
2007年，北京大學團隊做出第一個超越矽的電子型晶體管，之後該團隊花費約10年時間把當時的90納米器件做到亞10納米，碳納米管直徑約1.3納米，用0.4伏電壓驅動，比矽基0.7伏電壓驅動的性能還要好，不僅功耗降低很多，速度也提高了3倍左右。實現碳納米管技術的前提是攻克包括碳納米管材料在內的若干挑戰性問題，該團隊經過20年的努力，基本解决了這些問題，相關研究先後15次被ITRS報告引用。
未來，半導體技術的發展趨勢是更强大的數字電子、更多樣的功能。更多的功能包括碳基模擬、射頻、紅外、柔性等，更高的性能包括碳基數字電路等，更强大的碳基芯片則包括碳納米管數字+模擬、射頻、柔性、光電等。
碳基電子在毫米波段和太赫茲波段的優勢爲速度更快、頻帶更寬、安全、不易被干擾。例如，目前中國5G 技術主要使用亞6GHz頻段，但非常擁擠。5G技術的發展和未來的6G技術需要大量可用的連續頻段，但這些頻段只在90GHz之上才存在，而90GHz以上目前沒有成熟的半導體技術。因此，發展能够工作在90GHz~300GHz的半導體技術變得愈發重要。
未來，如何應對摩爾定律的終結，以及由此帶來的材料與集成等問題，3D碳基芯片技術將是重中之重。碳基技術有望全方位衝擊現有半導體産業格局。但這一新技術要全面超越主流半導體技術，還需要社會和國家的參與和支持。
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講座由中國科學技術協會與澳門科學技術協進會共同主辦，得到澳門基金會贊助，澳門科技大學、中國科學技術出版社協辦，澳門特區政府教育及青年發展局、澳門特區政府經濟及科技發展局、澳門大學、澳門理工大學以及澳門城市大學的支持。
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資料來源：《中國科學報》 (2023-11-03 第1版 要聞)