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刷屏的碳纳米管芯片技术,中国进展如何?

  近日,来自MIT的Gage Hills等人在Nature发表论文,报告了碳纳米管芯片制造领域的一项重大进展:一个完全由碳纳米晶体管构成的16位微处理器。这个论文发布了以后,在整个半导体圈子内引起了轰动。因为在摩尔定律事实上失效了以后,行业内的人都在寻找硅的替换材料,而碳纳米管则被看作一个有希望的替代品。这正是MIT这个新闻发布以后引发大家关注的一个重要原因。

  但其实在碳纳米晶体管方面,早在2017年,北京大学信息科学技术学院彭练矛-张志勇课题组就研究出了5纳米碳纳米管CMOS器件,将晶体管性能推至理论极限。

  所以究竟全球的碳纳米管技术发展水平如何?我国碳纳米管技术进展到何种地步?国内外差距体现在哪里?碳纳米管技术未来前景以及发展方向是怎样的?带着这些问题,半导体行业观察今日独家专访了彭练矛教授。

  在接受采访的时候,彭教授首先指出:“这是一项非常重要的进展。2013年,这个研究团队发表了由178个晶体管组成的只能执行简单指令的碳纳米管计算机。6年过后,他们已能制造完整的由14000个碳纳米管晶体管组成的处理器了,这是巨大的进步。这个成功的意义不在于这个处理器的功能,而在于碳纳米管CMOS技术正在快速走向成熟,走向应用这个事实。”

  后摩尔时代的最优选择

  其实后摩尔技术有很多选择,如三星正在推动的GAA和FinFET发明者胡正明教授正在推动的负电容晶体管都是当中的代表,碳纳米管则是另一拨人坚持的流派。因为其原子量级的管径保证了器件具有优异的栅极静电控制能力,更容易克服短沟道效应。其超高的载流子迁移率则保证器件具有更高的性能和更低的功耗。所以这种材料被认为是构建亚10纳米晶体管的理想材料。而多个理论研究也表明,碳纳米管器件相对于硅基器件来说在速度和功耗上具有5-10倍的优势,有望满足“后摩尔时代”集成电路的发展需求。

  而在彭教授看来,虽然传统技术可在现有的框架下继续推进。例如GAA和负电容晶体管等。但所有这些技术的发展均可归纳到以硅基为基础,以更高性能和低功耗为目的。GAA技术的发展是为了更好地控制晶体管的沟道,降低短沟道效应,使得晶体管向更小尺寸缩减;负电容晶体管等技术的发展也是为了能够进一步降低工作电压,进而减低芯片功耗。

  “后摩尔技术的发展应当更多的是突破现有的框架,包括新材料的应用,新原理,新信息载体等。传统半导体不一定是发展新原理器件最佳的系统。而新材料则提供了广泛的探索空间。”,彭练矛教授强调。“碳纳米管的应用不仅仅是可能将现有的技术继续向前推进几个技术节点,而是可能提供全新的可能性”,彭教授进一步指出。

  彭教授举例说到,他们2017年发表在Science的5纳米碳纳米管晶体管的工作就证明了碳纳米管晶体管可以在达到理论极限时都可以克服短沟道效应,也就是可以用一个简单的平面工艺一直走到物理极限,而不需如硅技术那样发展更复杂的三维晶体管技术,例如FinFET,来降低短沟道效应。“这对于没有完全掌握先进半导体制备技术(例如FinFET以及在未来3纳米技术节点可能出现的纳米线、纳米片技术)的中国半导体产业来讲至关重要;另外,就是碳纳米管技术是一个低温技术,可以制备三维的芯片。这为未来的芯片制造打开了一个广阔的空间,有望将现有的芯片性能提高上千倍。这是一个全新的框架,全新的路径,极有可能也是中国半导体技术真正的未来希望”,彭教授补充说。

  除此之外,彭练矛教授还表示,碳纳米管技术是一个基础技术,将来有可能对电子技术的方方面面都会产生重大影响。目前最受关注的是碳纳米管数字电子学和模拟电子学,但在其它新兴的柔性电子学、显示和传感等应用方面也有非常重要的进展。我们一直聚焦在高性能、低功耗的碳纳米管器件研究方面,这是未来碳纳米管技术真正走向应用的基础。我们的目标是性能大幅度超越硅基CMOS器件的碳基CMOS器件以及基于这样的高性能器件的碳纳米管集成系统;MIT研究组的重点和优势是系统构建,但这个系统是建在性能不可能超越硅基CMOS器件基础上的。

  国内与MIT水平不相伯仲

  从彭练矛教授的介绍我们得知,第一个碳纳米管晶体管是在1998年由美国和荷兰科学家制备出来的,至今已有21年了。但直到2006年之前,我国科学家在这个领域的贡献基本是零。而其实国外的科学家在采用传统掺杂工艺制备碳纳米管晶体管的过程中也遇到了重大挑战,彭教授接着说。

  如Intel的器件专家在2005年,就针对该领域做了系统总结,并发表了论文。按照他们的结论,那就是无法制备出性能超越硅基n型晶体管的碳纳米管器件。换而言之也就是无法超越硅基CMOS技术,之后Intel放弃了碳基集成电路技术。

  而彭教授的团队也从2000年开始了碳基电子学的工作,并于2007年发表了非掺杂制备碳纳米管CMOS器件的方法,制备出了第一个性能超过硅基相同尺寸的碳纳米管n型晶体管,之后又发表了第一个中等规模的碳纳米管CMOS集成电路,频率达到5GHz的碳纳米管集成电路。

  “我们的研究思路和MIT不同,是一条可以超越硅基CMOS的新路,目前在简单集成电路中也得到了演示。我们制备的小尺度碳纳米管晶体管的性能要比MIT研究组的好得多,综合性能超过商用硅基14纳米晶体管十几倍。而MIT制备的器件远远没有达到硅基器件的水平。我们构建的碳纳米管集成电路没有MIT这么复杂”,彭练矛教授强调。彭教授进一步指出,他们团队的优势主要体现在材料和器件的制备。

  基于此,2017年在北京科委的支持下,彭教授团队构建出了由大概2500个晶体管组成的CPU,性能大概和Intel 4004相当。但由于当时的芯片设计和工艺均不完善,所制备出来的CPU远远没有达到碳基电路应有的水平,因而他们也没有发表这个成果。

  之后,彭教授团队将注意力集中到更基础的高性能晶体管层面,于2017年将晶体管推至理论极限。2018年,基于这些高性能晶体管,他们制备了集成规模小,但性能可以和硅基集成电路相比的集成电路。特别是由几十个晶体管组成的测试电路的频率达到了5GHz以上,远远超过了之前由IBM研究组创造的280MHz记录,结果发表在Nature Electronics上。MIT集成电路虽然更加复杂,但电路速度仍然在MHz以下,远未达到碳纳米管电路应有的水平。

  “MIT目前的技术方案是不可能超越硅基集成电路的,但我们的方案是能够超越硅基集成电路的。我们的短板是工具(例如EDA等)和芯片设计,在这个方面,MIT比我们强”,彭教授坦言。

  有望率先在中国开花结果

  在彭教授看来,碳纳米管技术的发展是历史必然,是不以我们的主观意志为转移的,也是不可阻挡的。但悬念是最早由谁发展出来,最终由谁来主导。他强调。

  “碳纳米管的制造乃至商用,面临最大的问题还是决心,国家的决心。若国家拿出支持传统集成电路技术的支持力度,加上产业界全力支持,3-5年应当能有商业碳基芯片出现,10年以内碳基芯片开始进入高端、主流应用。”,彭练矛教授说。

  但他也坦言,半导体技术产业的发展需要一整个链条,从材料、计算机辅助工具、设备、工艺等。但之前传统半导体技术的发展,整个链条基本都是国外发展起来的。国内虽然经过多年的努力,距离国际最前沿尚有一定距离。

  然而在碳纳米管技术方面,我们在材料、器件模型和工艺等方面有很好积累,对于加工设备的要求没有顶级硅基集成电路那么高。若能在计算机辅助工具和芯片设计等方面尽快布局,可望很快打造出符合中国国情的碳纳米管集成电路产业生态链。

  根据彭教授的观点,以下几点会是碳纳米管技术首先在国内开花结果的原因:

  (1)我国的传统半导体技术并不太发达,应当不会成为发展新技术的负担和障碍,相对而言对于新技术的接纳比较容易;(2)发展新半导体技术的资金非常雄厚;(3)中国有最大的芯片市场。

  “综上所述,只要我们下定决心,将碳基集成电路技术在中国率先发展起来,大有希望”,彭教授告诉记者。


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