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投入or等待 中國集成電路產業能否“換道超車”?
時間:2017-03-01 09:26 發布者:admin

纸牌二八杠规则 www.ipgvf.com 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場效應晶體管,將晶體管性能推至理論極致。

全球的集成電路產業一直在摩爾定律的“照耀”下沿著硅基的路線前行,但當主流的CMOS技術發展到10納米技術節點之后,后續發展越來越受到來自物理規律和制造成本的限制,摩爾定律有可能面臨終結。20多年來,科學界和產業界一直在探索各種新材料和新原理的晶體管技術,期望替代硅基CMOS技術,但到目前為止,并沒有機構能夠實現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在實驗室中實現了世界級突破,如果能夠在產業化和工程化上提速,有可能帶領中國的集成電路產業從跟隨走到領先陣營。問題是對于這樣一個顛覆性技術,其產業化需要很長的時間投入和更多的產業生態加盟,而目前中國并沒有碳基電子國家戰略,對于前沿技術的產業化,我們應該怎么辦?

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,而隨著晶體管尺寸的縮小,其后續發展越來越受到來自物理規律和制造成本的限制。在2005年,國際半導體技術線路圖(ITRS)委員會首次明確指出在2020年前后硅基CMOS技術將達到其性能極限。后摩爾時代的集成電路技術的研究變得日趨急迫,很多人認為微電子工業在走到7納米技術節點之后可能不得不面臨放棄繼續使用硅材料作為晶體管導電溝道。在為數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替代技術之后,明確向半導體行業推薦重點研究碳基電子學,作為未來5~10年顯現商業價值的下一代電子技術。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計劃中繼續對碳納米材料和相關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電子學的研究和開發應用,布局和繼續搶占信息技術核心領域的制高點。

碳基電子學研究重要意義不言而喻,這關乎集成電路的未來“變軌”。事實上,美國不僅僅是研究機構加碼投入,IBM等IT大公司也在積極部署集成電路產業的“改朝換代”計劃。2014年,IBM宣布投入30億美元研發新的半導體工藝和新的替代性材料與技術。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,這是全球首創的,他們課題組經過10多年的研究,開發出無摻雜制備方法,研制的10納米碳納米管頂柵CMOS場效應晶體管,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。現在,他們又克服了尺寸縮小的工藝限制,成功開發出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功耗綜合優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業化經驗的人才加盟,產業化所需的財力及時到位,碳納米管集成電路工程化和產業化的步伐將大大加快,5年之內有望讓碳納米管芯片進入市場。

硅基集成電路產業今天的成就是60多年發展的結果,僅英特爾一家在2016年投入的研發基金就高達120余億美元。硅基技術從材料到制備到軟件及整個生態的發展已非常成熟,而碳基技術僅是在理論和實驗室得到了證實,要想實現產業化,在市場上立住腳,還有很長的路要走。

套用一句俗語,可以說碳基產業相比于硅基產業,已經可以預見前途是光明的,但產業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,硅基產業仍在蓬勃發展,90%的集成電路產業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,每一個產業都有其生命周期,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,中國應該采取什么樣的態度?

中國要想擺脫集成電路一直跟隨的狀態,就必須制定“碳基電子國家戰略”。中國的信息產業一直希望彎道超車,碳基有可能是最好的彎道之一,目前中國科學家們已經從理論和原創技術上做出了領先世界的東西,我們應該抓住這樣的機會。

從《科學》雜志發表的文章顯示來看,彭練矛、張志勇課題組所研發的成果已經超越了IBM目前碳基路線上的成果。關于彭練矛、張志勇課題組所做出來的成果,記者采訪了一些國外IT巨頭企業的研究機構,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于已經發表的最好硅基CMOS晶體管,但碳納米管產業化還有很長大的路需要走。

這樣的原創性技術突破是中國IC產業突圍的一個千載難逢的機會,但要實現產業化、工程化,還有相當長的一段路要走,需要更大的生態加盟,需要從國家層面有戰略布局。

除了應該制定“碳基電子國家戰略”,另一個維度是這樣基礎性技術的產業化如何以市場化的方式進行推動?彭練矛團隊連續4次獲得國家重點基礎研究發展計劃(973)和國家重點研發計劃重點專項項目的支持,接下來要進行的工程化、產業化和市場化需要不一樣的體制機制,需要通過企業行為來落地。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團隊基礎上又招聘了10余名專職工程技術人員。

但目前來看,其資源配備和支持力度還遠遠不夠:一方面,他們需要有硅基產業化經驗的人才加盟來提供對碳基技術產業化有參照意義的經驗;另一方面,記者認為,他們需要獲得IT大企業或者互聯網巨頭企業的支持,來加速其工程化和產業化。IBM和英特爾這樣的芯片巨頭企業的研究成果之所以能快速變成產業,很關鍵的原因是他們有錢、有產業資源。事實上,現在包括谷歌、臉書等互聯網企業都在加入更前沿技術的研發和投入,中國的BAT或許也應該對此具有戰略眼光,看到它的巨大的價值和深遠意義。

碳芯片技術至少5年之后才看到商品的雛形,形成產業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年之內有可能變現的高成長項目和企業。那么誰來接盤這個顛覆技術的產業化,誰來讓這個中國原創領先世界的技術變成現實,助推中國集成電路事業“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。 
出自:中國電子報

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