當人類生活越來越離不開手機、電腦等電子產品時，這些產品的核心部件芯片正面臨著性能極限的逼近。好在科學家們正在探索用新材料來替代硅制造芯片，從而沖破芯片的物理極限。在這方面，中國科學家已經走在了世界前列，這也為中國芯片產業的換道超車提供了可能。
北京大學電子系教授彭練矛帶領團隊成功使用新材料碳納米管制造出芯片的核心元器件——晶體管，其工作速度3倍于英特爾最先進的14納米商用硅材料晶體管，能耗只有其四分之一。該成果于2017年初刊登于《科學》雜志。“如果把芯片比作一棟房子，晶體管就是建房的磚頭，一棟棟的房子就構成了我們的信息社會。”彭連矛說。
硅是傳統的半導體材料。長期以來，整個半導體產業遵循摩爾定律，不斷縮小晶體管尺寸以提升其性能。而業界認為，摩爾定律將在2020年左右達到終點，即硅材料晶體管的尺寸將無法再縮小，芯片的性能提升已經接近其物理極限。
在此背景下，人們一直在尋找能夠替代當前硅芯片的材料，碳納米管就是主要的研究方向之一。美國斯坦福大學、IBM公司的研究人員都在致力于該領域的研究。國際半導體技術發展路線圖近年來多次引用彭練矛團隊的工作，來證明碳納米管是一個重要的出路。彭練矛堅信，碳納米管晶體管技術的突破對于中國半導體產業意義深遠。
一直以來，芯片都是中國科技領域的短板。盡管中國是世界最大的半導體消費國，目前國產芯片的自給率尚不足三成。據專業研究機構統計，2015年中國大陸芯片產業進口花費高達2307億美元，是原油進口總額的1.7倍。此外，彭練矛指出中國自主研發的芯片多是低端芯片，中國的芯片制造技術距離世界前沿水平還有3到5年的差距。然而，隨著硅材料的物理性能走向極限，碳基芯片的科研突破給中國芯片產業提供了換道超車的可能。
“我們的碳納米管晶體管研發技術領先世界。中國巨大的市場和雄厚的資金更是為我們提供了廣闊前景。”彭練矛說。彭練矛在2000年之前就開始研究碳納米管晶體管，至今已近20年。今年55歲的他自稱是個愛做夢的人。
盡管每天面對的是顯微鏡下比紅細胞還小的晶體管，彭練矛腦海里經常浮現的是一幅幅關乎人類命運的未來圖景：連續使用若干天無需充電的智能手機；可穿戴、舒適的微型醫療傳感器；敏感性更高的機器人皮膚……彭練矛在碳納米管的研究上取得的成就意味著，他關于未來的種種夢想或將在不久的將來成為現實。“碳納米管晶體管比同尺寸的硅基晶體管速度快5到10倍，功耗只有其十分之一。”彭練矛說。
由于能耗低，未來手機電池續航能力會大大提高。同時，安裝了這種高效芯片后，未來手機的攝像頭性能也將大大增強。碳基芯片不僅能表現出更優異的性能，更令人振奮的是，它還可能做硅基芯片所做不到的事情。
彭練矛的團隊已經在著手研究碳材料的醫用傳感器，用來檢測血壓、心跳和血糖等生化指標。由于碳材料與人體兼容性高，且有良好的柔韌性，這種傳感器可以完美貼合皮膚，讓人感覺不到它的存在。該團隊還在研究用碳材料打造汽車輔助駕駛系統中的紅外監控攝像頭。夜間安全行駛是輔助駕駛須攻克的難關之一。由于碳材料在近紅外感光性極好，用在夜視設備上可以達到極高清晰度，且對不發熱的物體以及濃霧中的物體也能成像，遠勝于目前常用的紅外熱像儀。
夢想熠熠生輝，但前路并非一片坦蕩。從實驗室到產品的這個中間環節在科技界有“死亡谷”之稱。想要跨越“死亡谷”、走上工程化的坦途，除了更多的技術難關需要科學家攻破，來自國家和企業的支持與合作也必不可少。2014年6月，《國家集成電路產業發展推進綱要》發布，集成電路產業被定義為支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業。當年9月，國家集成電路產業投資基金成立，首期規模1200億元。《中國制造2025》明確提出，2020年芯片自給率要達到40%，2025年達到50%。“相對于一些時髦的新應用技術，類似芯片這樣的基礎性研究應該獲得更多的關注，因為它對于一個國家的科技實力提升起著更為核心和支撐的作用。”彭練矛說。
文章鏈接：
Chenguang Qiu, et al, "Scaling carbon nanotube complementary transistors to 5-nm gate lengths," Science 20 Jan 2017: Vol. 355, Issue 6322, pp. 271-276, DOI: 10.1126/science.aaj1628
