摩尔定律或将走向极限,中国集成电路产业能否“换道超车”

 中国电子报、电子信息产业网  作者:李佳师
发布时间:2017-02-27
放大缩小

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。

在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?

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《中国电子报》记者采访时透露,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。

中国是投入还是等待?

也许有人会问,硅基产业仍在蓬勃发展,90%的集成电路产业资源都集中在硅基道路上,有必要另辟蹊径看尚在“襁褓”中的其他路径吗?答案是必须的,每一个产业都有其生命周期,硅基也有“一条道走,总有一天有可能走到黑”的时候。大家都在另辟蹊径,中国应该采取什么样的态度?

中国要想摆脱集成电路一直跟随的状态,就必须制定“碳基电子国家战略”。中国的信息产业一直希望弯道超车,碳基有可能是最好的弯道之一,目前中国科学家们已经从理论和原创技术上做出了领先世界的东西,我们应该抓住这样的机会。

从《科学》杂志发表的文章显示来看,彭练矛、张志勇课题组所研发的成果已经超越了IBM目前碳基路线上的成果。关于彭练矛、张志勇课题组所做出来的成果,《中国电子报》记者采访了一些国外IT巨头企业的研究机构,从他们的判断来看,这篇文章的贡献是研制了5纳米的碳纳米管器件,并且首次在性能指标上优于已经发表的最好硅基CMOS晶体管,但碳纳米管产业化还有很长大的路需要走。

这样的原创性技术突破是中国IC产业突围的一个千载难逢的机会,但要实现产业化、工程化,还有相当长的一段路要走,需要更大的生态加盟,需要从国家层面有战略布局。

除了应该制定“碳基电子国家战略”,另一个维度是这样基础性技术的产业化如何以市场化的方式进行推动?彭练矛团队连续4次获得国家重点基础研究发展计划(973)和国家重点研发计划重点专项项目的支持,接下来要进行的工程化、产业化和市场化需要不一样的体制机制,需要通过企业行为来落地。2015年,彭练矛团队在北京市科委和北京首都科技集团的支持下,成立了北京华碳元芯电子科技公司,希望加速推进这个课题的工程化,目前公司在原有的研发团队基础上又招聘了10余名专职工程技术人员。

但目前来看,其资源配备和支持力度还远远不够:一方面,他们需要有硅基产业化经验的人才加盟来提供对碳基技术产业化有参照意义的经验;另一方面,《中国电子报》记者认为,他们需要获得IT大企业或者互联网巨头企业的支持,来加速其工程化和产业化。IBM和英特尔这样的芯片巨头企业的研究成果之所以能快速变成产业,很关键的原因是他们有钱、有产业资源。事实上,现在包括谷歌、脸书等互联网企业都在加入更前沿技术的研发和投入,中国的BAT或许也应该对此具有战略眼光,看到它的巨大的价值和深远意义。

碳芯片技术至少5年之后才看到商品的雏形,形成产业化的东西或许还得更长,而从目前市场化资金来看,风险投资只投入5年之内有可能变现的高成长项目和企业。那么谁来接盘这个颠覆技术的产业化,谁来让这个中国原创领先世界的技术变成现实,助推中国集成电路事业“换轨超车”,我们期待富有远见卓识的大家给出更好的建议和答案。


来源:中国电子报、电子信息产业网            责任编辑:李佳师
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