1月20日，美國《科學》雜志刊登了北大電子學系主任彭練矛和物理電子學研究所副所長張志勇課題組在碳納米管電子學領(lǐng)域取得的世界級突破：首次制備出5納米柵長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，但當主流的CMOS技術(shù)發(fā)展到10納米技術(shù)節(jié)點之后，后續(xù)發(fā)展越來越受到來自物理規(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，科學界和產(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，并沒有機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)10納米的新型器件，并且也沒有新型器件能夠在性能上真正超過最好的硅基CMOS器件。
在集成電路發(fā)展的道路上中國一直是個跟隨者。而彭練矛和張志勇課題組的成果已經(jīng)在實驗室中實現(xiàn)了世界級突破，如果能夠在產(chǎn)業(yè)化和工程化上提速，有可能帶領(lǐng)中國的集成電路產(chǎn)業(yè)從跟隨走到領(lǐng)先陣營。問題是對于這樣一個顛覆性技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)化需要很長的時間投入和更多的產(chǎn)業(yè)生態(tài)加盟，而目前中國并沒有碳基電子國家戰(zhàn)略，對于前沿技術(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)展越來越受到來自物理規(guī)律和制造成本的限制。在2005年，國際半導(dǎo)體技術(shù)線路圖（ITRS）委員會首次明確指出在2020年前后硅基CMOS技術(shù)將達到其性能極限。后摩爾時代的集成電路技術(shù)的研究變得日趨急迫，很多人認為微電子工業(yè)在走到7納米技術(shù)節(jié)點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)推薦重點研究碳基電子學，作為未來5~10年顯現(xiàn)商業(yè)價值的下一代電子技術(shù)。美國國家科學基金委員會（NSF）十余年來除了在美國國家納米技術(shù)計劃中繼續(xù)對碳納米材料和相關(guān)器件給予重點支持外，在2008年還專門啟動了“超過摩爾定律的科學與工程項目”，其中碳基電子學研究被列為重中之重。其后美國不斷加大對碳基電子學研究的投入，美國國家納米計劃從2010年開始將“2020年后的納米電子學”設(shè)置為3個重中之重的成名計劃（signature initiatives）之一。除美國外，歐盟和其他各國政府也高度重視碳納米材料和相關(guān)電子學的研究和開發(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。
碳基電子學研究重要意義不言而喻，這關(guān)乎集成電路的未來“變軌”。事實上，美國不僅僅是研究機構(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摻雜制備方法，這是全球首創(chuàng)的，他們課題組經(jīng)過10多年的研究，開發(fā)出無摻雜制備方法，研制的10納米碳納米管頂柵CMOS場效應(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，成功開發(fā)出5納米柵長碳納米晶體管，其性能接近了由量子力學原理決定的理論極限。
研究表明，與相同柵長的硅基CMOS器件相比，碳納米管CMOS器件具有10倍左右的速度和動態(tài)功耗綜合優(yōu)勢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器件性能的影響，將碳管器件的接觸電極長度縮減到25納米，在保證性能的前提下，實現(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度為240納米的碳管CMOS反相器，這是目前實現(xiàn)的最小納米反相器電路。
彭練矛表示，今年北大團隊將基于碳基技術(shù)做出幾千門級的通用CPU，這相當于英特爾上世紀70年代第一款商用CPU，明、后年將做出1兆內(nèi)存，接近上千萬個晶體管，達到英特爾上世紀90年代水平。如果有更多熟悉硅工藝和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗的人才加盟，產(chǎn)業(yè)化所需的財力及時到位，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入市場。
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120余億美元。硅基技術(shù)從材料到制備到軟件及整個生態(tài)的發(fā)展已非常成熟，而碳基技術(shù)僅是在理論和實驗室得到了證實，要想實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在市場上立住腳，還有很長的路要走。
套用一句俗語，可以說碳基產(chǎn)業(yè)相比于硅基產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)可以預(yù)見前途是光明的，但產(chǎn)業(yè)化和市場化之路依然是曲折和漫長的。
中國是投入還是等待？
也許有人會問，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”的時候。大家都在另辟蹊徑，中國應(yīng)該采取什么樣的態(tài)度？
中國要想擺脫集成電路一直跟隨的狀態(tài)，就必須制定“碳基電子國家戰(zhàn)略”。中國的信息產(chǎn)業(yè)一直希望彎道超車，碳基有可能是最好的彎道之一，目前中國科學家們已經(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)該抓住這樣的機會。
從《科學》雜志發(fā)表的文章顯示來看，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的成果，記者采訪了一些國外IT巨頭企業(yè)的研究機構(gòu)，從他們的判斷來看，這篇文章的貢獻是研制了5納米的碳納米管器件，并且首次在性能指標上優(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)化還有很長大的路需要走。
這樣的原創(chuàng)性技術(shù)突破是中國IC產(chǎn)業(yè)突圍的一個千載難逢的機會，但要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、工程化，還有相當長的一段路要走，需要更大的生態(tài)加盟，需要從國家層面有戰(zhàn)略布局。
除了應(yīng)該制定“碳基電子國家戰(zhàn)略”，另一個維度是這樣基礎(chǔ)性技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化如何以市場化的方式進行推動？彭練矛團隊連續(xù)4次獲得國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973）和國家重點研發(fā)計劃重點專項項目的支持，接下來要進行的工程化、產(chǎn)業(yè)化和市場化需要不一樣的體制機制，需要通過企業(yè)行為來落地。2015年，彭練矛團隊在北京市科委和北京首都科技集團的支持下，成立了北京華碳元芯電子科技公司，希望加速推進這個課題的工程化，目前公司在原有的研發(fā)團隊基礎(chǔ)上又招聘了10余名專職工程技術(shù)人員。
但目前來看，其資源配備和支持力度還遠遠不夠：一方面，他們需要有硅基產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗的人才加盟來提供對碳基技術(shù)產(chǎn)業(yè)化有參照意義的經(jīng)驗；另一方面，記者認為，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。事實上，現(xiàn)在包括谷歌、臉書等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)都在加入更前沿技術(shù)的研發(fā)和投入，中國的BAT或許也應(yīng)該對此具有戰(zhàn)略眼光，看到它的巨大的價值和深遠意義。
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，而從目前市場化資金來看，風險投資只投入5年之內(nèi)有可能變現(xiàn)的高成長項目和企業(yè)。那么誰來接盤這個顛覆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，誰來讓這個中國原創(chuàng)領(lǐng)先世界的技術(shù)變成現(xiàn)實，助推中國集成電路事業(yè)“換軌超車”，我們期待富有遠見卓識的大家給出更好的建議和答案。