首页 > 基础设施 > 正文

大教授突破碳基半导体技术,在《科学》发表三篇论文!“中国芯”梦想更进一步

2020-06-01 09:20:15  来源:DeepTech深科技

摘要:中国在硅基芯片上的落后态势,有可能在未来的碳基芯片上得以改观。
关键词: 半导体技术 中国芯
  中国在硅基芯片上的落后态势,有可能在未来的碳基芯片上得以改观。
 
  2020 年 5 月 22 日,北京大学电子学系彭练矛院士和张志勇教授团队在《科学》杂志发表《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》论文,介绍了该团队最新发展的多次提纯和维度限制自组装方法。
 
\
  图 | 彭练矛院士和张志勇教授团队,在《科学》杂志发表的论文(来源:Science 官网)
 
  据了解,该方法可以在四英寸基底上,制备出密度高达 120 / 微米、半导体纯度超过 99.9999%、直径分布 1.45±0.23nm 的碳纳米管(以下简称“碳管”)平行阵列,并在此基础上,首次实现性能超越同等栅长的硅基 CMOS 技术的晶体管和电路。这一成果,也将为碳基半导体进入规模工业化奠定基础。
\
  
图 | 北京大学电子系教授、中科院院士彭练矛(来源:DeepTech 摄)
 
  在 5 月 26 日的媒体见面会上,彭练矛表示,用碳管制成的芯片,有望使用在手机和 5G 基站中。DeepTech 也注意到,当天有来自华为的技术人员出席会议。
 
  据悉,北京碳基集成电路研究院,是碳管技术的主要研究单位,该单位由北京市科委和北京大学共建。目前,研究院正在和华为等国内厂商对接。DeepTech 从该研究院的工作人员处了解到,未来不排除华为等国内厂商,在芯片中使用碳管的可能。
 
\
  图 | 北京碳基集成电路研究院(来源:DeepTech 摄)
 
  相关研究三次登上《科学》
 
  一直以来,英特尔和台积电等晶圆厂商,都使用硅基技术,来生产芯片。但由于摩尔定律的日渐式微,当下的硅基芯片技术,即将碰触极限。
 
  而在地球上普遍存在的碳元素,和硅是同族元素,它俩的化学属性和物理属性,也非常相似。IBM 的理论计算表明,如果完全按照现有二维平面框架设计,相比硅基技术,碳管技术具备 15 代的技术优势。斯坦福大学的研究也表明,碳管技术有望将常规的二维硅基芯片技术,发展成三维芯片技术。这至少能将当前芯片的综合能力,提升 1000 倍以上。故此,碳管也是公认的、最理想的硅晶替代品。
\
  
图 | 碳纳米管——理想的晶体管材料(来源:DeepTech 摄)
 
  北京碳基集成电路研究院的一位技术人员告诉DeepTech:多年来,英特尔和 IBM 等国外厂商,并非对碳管视而不见,但由于研究周期长、成果转化不确定,以及碍于投资人压力,他们均未能在碳管技术方面有所建树。
 
  多年来,通过制备超高半导体纯度的、顺排的、高密度的、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜,从而制备出首个超越相似尺寸的硅基CMOS的器件和电路,一直都是基础制备材料中的梦想。
 
  而本次彭练矛团队在《科学》杂志发表的成果,标志着碳管电子学领域、以及碳基半导体工业化的共同难题被攻克。
 
  据彭练矛团队介绍,碳管作为一种新型纳米半导体材料,在物理、电子、化学和机械方面,具备特殊优势。如果碳集信息器件技术,可以充分利用上述优势,就有希望生产出性能优、功耗低的芯片。
\
 
  图 | 碳管高速集成电路
 
  彭练矛在采访中介绍,使用上述技术,可生产出三类产品:信息处理芯片、传感器芯片和通信芯片。以微型医疗传感器芯片为例,这种芯片很小,佩戴在人体上几乎无感,因此非常适合老人在家时,给自己做健康测试。
 
  实际上,在此之前,彭练矛团队凭借碳基半导体的研发成果,已经两度在《科学》杂志发表论文。
 
  第一次是 2017 年。彭练矛带领团队,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十倍,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。高功耗给集成电路带来的发展瓶颈,越来越严重,半导体厂商也开始不断推迟新工艺上市时间,甚至有厂商开始被人称为“牙膏厂”。
 
  而理论上来看,碳管比硅晶体的潜力更大。所以,彭练矛团队在审视传统晶体管功耗的物理极限后,他们提出、并制备出一种新型超低功耗晶体管:狄拉克源晶体管。该晶体管,可大幅降低传统晶体管工作时、需要的驱动电压,能够满足未来超低功耗集成电路的需要。
 
  此外,该团队还曾在《自然》子刊(“Nature Electronics” et al.)上发表多篇论文。
 
\
图 | 碳基工艺平台的应用验证(来源:DeepTech 摄)
 
  伏案研究二十载,只为这片“中国芯”
 
  近日,被美国敲打的华为,因为台积电为其协调芯片生产,再次登上热搜。有网友质疑 “华为这么厉害一个芯片都靠别人?” 如果了解芯片生产,你就会发现,国内的芯片技术能力,好比一只边缘不齐的木桶,其短板之处,决定着中国还无法实现芯片自主。
 
  一块指甲大的芯片,需要设计、制造和封测三大环节。
 
  设计环节中,中国设计芯片的工具,用的依旧是国外的 EDA 软件。即便厉害如华为海思,也才刚于 2018 年实现 “去美国化”;制造环节中,荷兰 ASML 的光刻机,也会因美国拦阻、而不敢卖给中国;至于封测环节,尽管中国表现较好,但是该环节利润偏低。
 
  不够先进——仍旧是摆在“中国芯” 面前的困局。而彭练矛早在二十年前,就开始为 “中国芯” 奔走努力。
 
  回首过去几十年,彭练矛和团队的研究,一路披荆斩棘。
 
  1997 年,北京大学成立全国第一个纳米科技研究机构:北京大学纳米科学与技术研究中心。1999 年,彭练矛从当时任职的牛津大学,回到母校北京大学,从事纳米微电子研究。
 
  彭练矛曾在日后的采访中,对北大校报记者称:“最开始的七年是在不断摸索中度过的。”那时,国外大学和厂商,在纳米电子技术、设备和经验上,把持着最高话语权,国内相关研究一直处于落后和停滞状态。在一穷二白的大环境中,彭练矛团队在早期研究中,吃了不少“败仗”。
 
  但是彭练矛“不撞南墙不回头”,他和团队开始模仿 IBM 的产品,打算走先复制、再超越的道路。
 
  耗时整整 8 年,彭练矛终于迎来第一颗果实。2007 年,他在纳米电子学研究中的第一项标志性成绩诞生:碳管制备技术,得到初步突破。
 
  然后又是整整十年的冷板凳。如前文所述,到了 2017 至 2018 年,彭练矛团队先后两次在《科学》期刊发表论文。
 
  而 2020 年最新发表的这项成果,是在碳基半导体制备材料上,解决了纯度、面积和密度顺排等长期无法攻克的问题。北京碳基集成电路研究院的专家告诉 DeepTech,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。
 
  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。”
 
\
图 | 领先世界的碳芯片技术(来源:DeepTech 摄)
 
  彭练矛曾说,如果把芯片比作一栋房子,晶体管就是建房的砖头,一栋栋的房子就构成了我们的信息社会。关于摩尔定律的终点,业界没有定论,但 2020 年至 2025 年,是人们普遍认为的摩尔定律“死亡期”。
 
  如果那一天真的来到,硅晶体管的尺寸将无法再缩小,芯片性能提升也将接近物理极限。那么,碳管就会成为新的“砖头”,或许等碳管开始量产之时,正是国产芯片出头之日。
 
  -End-

第三十届CIO班招生
法国布雷斯特商学院硕士班招生
北达软EXIN网络空间与IT安全基础认证培训
北达软EXIN DevOps Professional认证培训
责编:yangjun
大神娱乐最新版下载 浙江体彩20选5走势图2元网 股票指数基金 2020年王中王料精选资料大全 p62开奖结果走势图 金牛通配资 上证大盘指数实时 微信股票分析群 快乐10分开奖 股城模拟炒股网页 湖北十一选五分布走势图 鑫福 河北快3开奖软件 股票基础知识k线图 安徽快三开奖走势图 宁夏11选5 申穆出资