集成電路芯片中最重要的部分是晶體管，做好芯片最終就是要把晶體管做好。過(guò)去100多年，晶體管產(chǎn)品主要是歐洲、美國(guó)企業(yè)在做，如真空二極管、三極管的制造，而我國(guó)基本沒(méi)有相關(guān)貢獻(xiàn)。在如今的后摩爾時(shí)代，中國(guó)科學(xué)家對(duì)于碳納米管、二維半導(dǎo)體等新材料的研發(fā)及其在集成電路方面的應(yīng)用，雖然已經(jīng)做出了一些成就，但仍需加快追趕的步伐。

算力需求事關(guān)國(guó)家發(fā)展

人們常說(shuō)，半導(dǎo)體的進(jìn)程是1微米、0.7微米，以及常被提及的10納米、7納米、5納米。這些技術(shù)到底意味著什么？

實(shí)際上，它們最早來(lái)自美國(guó)企業(yè)英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾在1965年提出的摩爾定律。其核心內(nèi)容是，集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目大約每經(jīng)過(guò)18個(gè)月到24個(gè)月便會(huì)增加一倍。

所謂的微米、納米技術(shù)，即每升級(jí)一代，晶體管的數(shù)目就會(huì)增加一倍、面積大概縮小一半。但對(duì)于先進(jìn)制程，如3納米技術(shù)來(lái)說(shuō)，目前仍存在挑戰(zhàn)。晶體管的柵電極長(zhǎng)度大概需要十幾納米，這個(gè)量級(jí)并不會(huì)更小，否則就會(huì)產(chǎn)生隧穿等問(wèn)題。因此，5納米或3納米現(xiàn)在基本是個(gè)符號(hào)，與器件的物理尺寸無(wú)嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，代表著科技進(jìn)步的方向。

二十世紀(jì)初以來(lái)，算力沿著并不十分嚴(yán)格的線性關(guān)系發(fā)展。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室在1947年發(fā)明晶體管之后，便用晶體管替代真空電子管制造電路，使算力大大增加。算力的需求基本是按照線性方式增加，摩爾定律也是如此，我們對(duì)算力的要求和技術(shù)所能提供的算力，在過(guò)去基本是匹配的。但現(xiàn)在發(fā)生了一個(gè)非常大的變化，在2012年之前，算力每24個(gè)月增加一倍，后來(lái)變?yōu)槿膫€(gè)月增加一倍，2019年后發(fā)展到兩個(gè)月增加一倍。

今天，人們對(duì)算力的需求大幅提升。如何支撐算力快速發(fā)展的需求？這個(gè)問(wèn)題決定著一個(gè)國(guó)家未來(lái)能否真正跟上發(fā)展的步伐。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基本按照摩爾定律發(fā)展。二十世紀(jì)八九十年代，由于日本半導(dǎo)體快速發(fā)展，美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)歷了全球市場(chǎng)份額的重大損失。之后，美國(guó)通過(guò)“廣場(chǎng)協(xié)議”等手段壓制日本，使得美國(guó)經(jīng)濟(jì)在接下來(lái)的10年中反彈，并在1997年重新獲得48%的全球市場(chǎng)，占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。

2022年，邏輯、存儲(chǔ)、模擬和微處理器占據(jù)了半導(dǎo)體行業(yè)領(lǐng)域78%的份額。美國(guó)主要半導(dǎo)體企業(yè)如英特爾，在前沿研發(fā)的投入約占其營(yíng)收的20%，而中國(guó)在半導(dǎo)體行業(yè)的投入比例不到歐美國(guó)家的一半。要改變這個(gè)現(xiàn)狀，需要國(guó)家在其中發(fā)揮重要作用。同期，美國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)份額占全球半導(dǎo)體50%左右，直接就業(yè)人數(shù)為30.7萬(wàn)。我國(guó)約占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)份額的7%，但直接就業(yè)人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)美國(guó)，亟須提高效率。當(dāng)前我國(guó)缺乏的不是一般的半導(dǎo)體操作人員，而是真正能夠改變現(xiàn)狀的領(lǐng)軍人才。

材料是芯片技術(shù)進(jìn)步的主要推動(dòng)力

晶體管是集成電路芯片中最重要的部分，對(duì)于邏輯電路來(lái)說(shuō)，超過(guò)90%的現(xiàn)代芯片由場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）構(gòu)成，后者分為電子型和空穴型。這兩類晶體管相當(dāng)于人的兩條腿，配對(duì)工作可以使人平衡、往前走得更快。雖然器件有非常多的種類，但最核心、最關(guān)鍵的并不多，只要把最重要的晶體管性能做好，就能夠?qū)崿F(xiàn)趕超。

本世紀(jì)以來(lái)，整個(gè)晶體管的尺寸進(jìn)入了亞100納米技術(shù)水平，晶體管性能已不能簡(jiǎn)單地靠縮小體積來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的算力提升，材料的進(jìn)步已經(jīng)成為晶體管技術(shù)進(jìn)步的主要推動(dòng)力，需引入各種各樣的新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)、新原理。但這樣的組合非常復(fù)雜，例如7納米晶體管制備需要2000多個(gè)步驟，使用了元素周期表上大概一半的元素，要想進(jìn)一步改進(jìn)非常困難?？偠灾雽?dǎo)體集成電路目前的發(fā)展已經(jīng)趨于飽和，一代和一代的差別日益縮小，只有靠新材料、新架構(gòu)才能使其性能大幅提高。

未來(lái)，非硅基材料和可能發(fā)展的技術(shù)有很多。2009年，國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（ITRS）路線圖委員會(huì)（IRC）選擇碳基納米電子學(xué)作為重點(diǎn)關(guān)注和投資的技術(shù)。碳納米管（1D）和傳統(tǒng)硅（3D）以及石墨烯（2D）比較，電子有效質(zhì)量是硅材料的1/3，速度是10倍。IBM的“后硅時(shí)代”預(yù)測(cè)，碳納米管技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于材料結(jié)構(gòu)和物性優(yōu)勢(shì)，使碳納米管晶體管實(shí)現(xiàn)高速、低功耗。更重要的是，碳納米管的低溫制備使得3D芯片制備成為可能，而3D芯片在結(jié)構(gòu)理論上可將芯片的性能提高成百上千倍，特別是對(duì)于AI計(jì)算，最高可實(shí)現(xiàn)1900多倍的性能提升。

2007年，北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)做出第一個(gè)超越硅的電子型晶體管，之后該團(tuán)隊(duì)花費(fèi)約10年時(shí)間把當(dāng)時(shí)的90納米器件做到亞10納米，碳納米管直徑約1.3納米，用0.4伏電壓驅(qū)動(dòng)，比硅基0.7伏電壓驅(qū)動(dòng)的性能還要好，不僅功耗降低很多，速度也提高了3倍左右。實(shí)現(xiàn)碳納米管技術(shù)的前提是攻克包括碳納米管材料在內(nèi)的若干挑戰(zhàn)性問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)20年的努力，基本解決了這些問(wèn)題，相關(guān)研究先后15次被ITRS報(bào)告引用。

未來(lái)，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是更強(qiáng)大的數(shù)字電子、更多樣的功能。更多的功能包括碳基模擬、射頻、紅外、柔性等，更高的性能包括碳基數(shù)字電路等，更強(qiáng)大的碳基芯片則包括碳納米管數(shù)字+模擬、射頻、柔性、光電等。

碳基電子在毫米波段和太赫茲波段的優(yōu)勢(shì)為速度更快、頻帶更寬、安全、不易被干擾。例如，目前中國(guó)5G技術(shù)主要使用亞6GHz頻段，但非常擁擠。5G技術(shù)的發(fā)展和未來(lái)的6G技術(shù)需要大量可用的連續(xù)頻段，但這些頻段只在90GHz之上才存在，而90GHz以上目前沒(méi)有成熟的半導(dǎo)體技術(shù)。因此，發(fā)展能夠工作在90GHz~300GHz的半導(dǎo)體技術(shù)變得愈發(fā)重要。

未來(lái)，如何應(yīng)對(duì)摩爾定律的終結(jié)，以及由此帶來(lái)的材料與集成等問(wèn)題，3D碳基芯片技術(shù)將是重中之重。碳基技術(shù)有望全方位沖擊現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局。但這一新技術(shù)要全面超越主流半導(dǎo)體技術(shù)，還需要社會(huì)和國(guó)家的參與與支持。

作者：彭練矛 國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)電子學(xué)院院長(zhǎng)

記者馮麗妃根據(jù)其在2023年當(dāng)代杰出華人科學(xué)家公開(kāi)講座上的報(bào)告整理

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