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戍天九思:北大突破碳基芯片量产关键技术!我国芯片可望“换道超车”!

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发表于 2020-6-28 11:40:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
  2020年5月22日,《科学》杂志发表了一篇题为《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》的论文,介绍了北京大学电子学系彭练矛院士和张志勇教授团队最新研发的多次提纯和维度限制自组装方法。《科学》杂志评价:该成果突破了长期以来阻碍碳纳米管电子学发展的瓶颈,首次在实验上显示了碳纳米管器件和集成电路相对于传统技术的性能优势,显示了碳纳米管电子学在其他材料中鲜有的优势,为推进碳基半导体技术的实用化和规模工业化奠定了基础。

  该项成果在国际上至少能保持2年的领先优势,表明用碳基芯片取代现有的硅基芯片距离实用化又迈近了一大步,我国可望在碳基芯片研发上“换道超车”!

  ▲2018年5月2日,彭练矛在北京大学金光生命科学大楼一层大厅向国家领导人介绍“领先世界的碳芯片技术”

  北大碳基芯片突破了什么关键技术?

  长期以来,美国领先并垄断着硅基芯片技术。我国在硅基芯片技术上一直受制于人,每年进口芯片费用高达3000亿美元,比进口石油费用的还高。由于受摩尔定律影响和物理限制,目前硅基芯片技术已走到了2nm的极限,硅基管很难再小了。

  这次北大研发团队另辟蹊径,采用了碳基芯片技术,将原先二维硅基芯片技术变成三维碳基芯片技术,这样就能打破物理极限!由于碳纳米晶体管电子迁移率是硅的1000倍,碳纳米管电子活动更为自由,不易摩擦发热,因此,碳基芯比硅基芯片具有成本更低、功耗更小、效率更高的明显优势。美国国防部2018年支持的一项研究,就希望用90nm规格的碳芯片,实现7nm规格的硅芯片同等的性能。但是,碳基芯片在制造工艺上一直未能突破,就是很难制造出高纯度、高密度、排列整齐的碳纳米管阵列。

  尽管早在2013年美国斯坦福大学就制造出了第一台碳纳米管计算机。而到了2019年8月,美国麻省理工学院发布了全球第一款碳纳米管通用计算芯片,里面只包含1.4万个晶体管。当时,《自然》杂志连发3篇文章介绍这项成果,可见其轰动性。但是,这1.4万个碳晶芯片与现在手机硅晶芯片上百亿个晶体管还差得远,原因就是麻省理工学院所用到碳纳米管阵列的纯度只能达到99.99%(4个9)。

  北大彭练矛、张志勇团队,通过独创的制备工艺,在4英寸的基底上,制备出密度为120/μm、纯度高达99.9999%(6个9)的碳纳米管阵列。这在密度和纯度两个重要的指标上,都比麻省理工学院的研究成果高出了1-2个数量级。而且,基于这种高品质的碳管阵列,北大研究人员还批量制作出了相应的晶体管和环形振荡器来验证这种新工艺的批量生产潜力。实验发现:这些晶体管和环形震荡器的性能,首次超过了同等尺寸下的传统硅芯片里面的器件,证明了碳基芯片确实有可能比硅基芯片更强。

  ▲北京大学电子系教授、中科院院士彭练矛

  专家猜测碳基芯片的纯度至少在6到8个9的时候,才能够让碳基芯片的性能比肩传统硅基芯片。而北大团队量产制作的碳基芯片纯度已实现了6个9的突破,已经跨过了碳基芯片实用化的门槛。

  换道走了20年,只为这片“中国芯”

  彭练矛院士从事碳基半导体研发长达20年,带领研究团队探究用碳纳米管材料制备集成电路的方法,一路披荆斩棘,此前已两度在《科学》杂志发表了论文。

  ▲张志勇与彭练矛介绍成果

  第一次是2017年1月。彭练矛团队首次制备出栅长5纳米的碳管晶体管、也是世界上迄今最小的高性能晶体管,综合性能比当时最好的硅基晶体管领先10倍,接近了理论极限。具体来说,其工作速度3倍于英特尔当时最先进的14nm商用硅材料晶体管,但能耗却只有其四分之一。

  第二次是在2018年6月。彭练矛团队提出超低功耗的狄拉克源场效应晶体管,并发表在《科学》杂志上。同年,用高性能的晶体管制备出集成电路,不仅跻身与斯坦福大学、麻省理工学院等研究机构同步的国际领跑行列,而且在最关键的核心技术上是世界领先的。

  彭练矛表示“我们的碳基半导体研究是代表世界领先水平的。”与国外硅基技术制造出来的芯片相比,我国碳基技术制造出来的芯片在处理大数据时不仅速度更快,而且至少节约30%的功耗。

  我国碳基芯片的重大突破会带来什么?

  过去,中国芯片更像是“在别人的墙基上砌房子”,如今有望在自家院子垒墙。北大张志勇透露,这次在碳管材料上取得的进展,至少可以在国际上保持两年优势。正在参与中国碳基芯片研究的郭鑫说:“就算不能全面领先世界,起码可以拥有筹码。这样别人卡我们,我们也可以卡别人。”

  更可喜的是:北大的突破不仅有碳基芯片材料方面的突破,也有先进制造工艺的突破——可以使可伸缩的DNA生物模板来制作纳米级的电子图形。如果技术成熟投入应用,那就可以摆脱荷兰的ASML光刻机了。

  北京碳基集成电路研究院的专家说,自两年前4吋碳基晶元的整条线投入从制备、电路设计、光刻、封装全线的实验以来,已经在产品端上出了4吋5微米栅长的碳基晶元。这次的成果直接可以跟前端射频器件厂商牵手。

  对于量产时间,郭鑫称难度相对较低的物联网碳管芯片,预计3至5年内就可能商用。而应用于手机和服务器上的碳管芯片,则需要更长时间。目前,虽然多数国内公司更愿意在研究方案成熟时来和高校合作,但处在行业引领地位的华为,会更关注基础研发,目前已和彭练矛团队接触、对接。

  当前,中国在碳基信息电子器件领域,不仅基础扎实,研究能力也很强,并已处于世界先进水平。彭练矛团队表示:“我国应充分抓住时间窗口,利用新技术的红利,形成全新的、自主的信息器件技术。”

  笔者认为,中国有5G厘米波和毫米波两个波段核心技术的重大突破,又在碳基芯片量产上有关键突破,中国正在赢得5G时代!美国对华打科技战,只会倒逼中国加速摆脱核心技术受制于人的历史!

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