材料百态

当前，云计算、大数据、人工智能、个性化医疗和健康监控领域，以及未来数字化和智慧化的发展，都离不开芯片。毫不夸张地说，芯片就是现代技术的驱动力，没有芯片就没有中国未来的现代化。

集成电路芯片中最重要的部分是晶体管，做好芯片最终就是要把晶体管做好。过去100多年，晶体管产品主要是欧洲、美国企业在做，如真空二极管、三极管的制造，而我国基本没有相关贡献。在如今的后摩尔时代，中国科学家对于碳纳米管、二维半导体等新材料的研发及其在集成电路方面的应用，虽然已经做出了一些成就，但仍需加快追赶的步伐。

算力需求事关国家发展

人们常说，半导体的进程是1微米、0.7微米，以及常被提及的10纳米、7纳米、5纳米。这些技术到底意味着什么？

实际上，它们最早来自美国企业英特尔创始人之一戈登·摩尔在1965年提出的摩尔定律。其核心内容是，集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。

所谓的微米、纳米技术，即每升级一代，晶体管的数目就会增加一倍、面积大概缩小一半。但对于先进制程，如3纳米技术来说，目前仍存在挑战。晶体管的栅电极长度大概需要十几纳米，这个量级并不会更小，否则就会产生隧穿等问题。因此，5纳米或3纳米现在基本是个符号，与器件的物理尺寸无严格对应关系，代表着科技进步的方向。

二十世纪初以来，算力沿着并不十分严格的线性关系发展。美国贝尔实验室在1947年发明晶体管之后，便用晶体管替代真空电子管制造电路，使算力大大增加。算力的需求基本是按照线性方式增加，摩尔定律也是如此，我们对算力的要求和技术所能提供的算力，在过去基本是匹配的。但现在发生了一个非常大的变化，在2012年之前，算力每24个月增加一倍，后来变为三四个月增加一倍，2019年后发展到两个月增加一倍。

今天，人们对算力的需求大幅提升。如何支撑算力快速发展的需求？这个问题决定着一个国家未来能否真正跟上发展的步伐。

半导体产业基本按照摩尔定律发展。二十世纪八九十年代，由于日本半导体快速发展，美国半导体行业经历了全球市场份额的重大损失。之后，美国通过“广场协议”等手段压制日本，使得美国经济在接下来的10年中反弹，并在1997年重新获得48%的全球市场，占据领导地位。

2022年，逻辑、存储、模拟和微处理器占据了半导体行业领域78%的份额。美国主要半导体企业如英特尔，在前沿研发的投入约占其营收的20%，而中国在半导体行业的投入比例不到欧美国家的一半。要改变这个现状，需要国家在其中发挥重要作用。同期，美国半导体市场份额占全球半导体50%左右，直接就业人数为30.7万。我国约占全球半导体市场份额的7%，但直接就业人数远远超过美国，亟须提高效率。当前我国缺乏的不是一般的半导体操作人员，而是真正能够改变现状的领军人才。

材料是芯片技术进步的主要推动力

晶体管是集成电路芯片中最重要的部分，对于逻辑电路来说，超过90%的现代芯片由场效应晶体管（FET）构成，后者分为电子型和空穴型。这两类晶体管相当于人的两条腿，配对工作可以使人平衡、往前走得更快。虽然器件有非常多的种类，但最核心、最关键的并不多，只要把最重要的晶体管性能做好，就能够实现赶超。

本世纪以来，整个晶体管的尺寸进入了亚100纳米技术水平，晶体管性能已不能简单地靠缩小体积来实现所需要的算力提升，材料的进步已经成为晶体管技术进步的主要推动力，需引入各种各样的新技术、新材料、新结构、新原理。但这样的组合非常复杂，例如7纳米晶体管制备需要2000多个步骤，使用了元素周期表上大概一半的元素，要想进一步改进非常困难。总而言之，半导体集成电路目前的发展已经趋于饱和，一代和一代的差别日益缩小，只有靠新材料、新架构才能使其性能大幅提高。

未来，非硅基材料和可能发展的技术有很多。2009年，国际半导体技术蓝图（ITRS）路线图委员会（IRC）选择碳基纳米电子学作为重点关注和投资的技术。碳纳米管（1D）和传统硅（3D）以及石墨烯（2D）比较，电子有效质量是硅材料的1/3，速度是10倍。IBM的“后硅时代”预测，碳纳米管技术的优势在于材料结构和物性优势，使碳纳米管晶体管实现高速、低功耗。更重要的是，碳纳米管的低温制备使得3D芯片制备成为可能，而3D芯片在结构理论上可将芯片的性能提高成百上千倍，特别是对于AI计算，最高可实现1900多倍的性能提升。

2007年，北京大学团队做出第一个超越硅的电子型晶体管，之后该团队花费约10年时间把当时的90纳米器件做到亚10纳米，碳纳米管直径约1.3纳米，用0.4伏电压驱动，比硅基0.7伏电压驱动的性能还要好，不仅功耗降低很多，速度也提高了3倍左右。实现碳纳米管技术的前提是攻克包括碳纳米管材料在内的若干挑战性问题，该团队经过20年的努力，基本解决了这些问题，相关研究先后15次被ITRS报告引用。

未来，半导体技术的发展趋势是更强大的数字电子、更多样的功能。更多的功能包括碳基模拟、射频、红外、柔性等，更高的性能包括碳基数字电路等，更强大的碳基芯片则包括碳纳米管数字+模拟、射频、柔性、光电等。

碳基电子在毫米波段和太赫兹波段的优势为速度更快、频带更宽、安全、不易被干扰。例如，目前中国5G技术主要使用亚6GHz频段，但非常拥挤。5G技术的发展和未来的6G技术需要大量可用的连续频段，但这些频段只在90GHz之上才存在，而90GHz以上目前没有成熟的半导体技术。因此，发展能够工作在90GHz~300GHz的半导体技术变得愈发重要。

未来，如何应对摩尔定律的终结，以及由此带来的材料与集成等问题，3D碳基芯片技术将是重中之重。碳基技术有望全方位冲击现有半导体产业格局。但这一新技术要全面超越主流半导体技术，还需要社会和国家的参与与支持。

作者：彭练矛 国科学院院士、北京大学电子学院院长

记者冯丽妃根据其在2023年当代杰出华人科学家公开讲座上的报告整理

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