当人类生活越来越离不开手机、电脑等电子产品时，这些产品的核心部件芯片正面临着性能极限的逼近。好在科学家们正在探索用新材料来替代硅制造芯片，从而冲破芯片的物理极限。在这方面，中国科学家已经走在了世界前列，这也为中国芯片产业的换道超车提供了可能。
图：北京大学彭练矛团队研究生在做实验。（由该研究团队提供）
北京大学电子系教授彭练矛带领团队成功使用新材料碳纳米管制造出芯片的核心元器件——晶体管，其工作速度3倍于英特尔最先进的14纳米商用硅材料晶体管，能耗只有其四分之一。该成果于2017年初刊登于《科学》杂志。“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。”彭连矛说。
硅是传统的半导体材料。长期以来，整个半导体产业遵循摩尔定律，不断缩小晶体管尺寸以提升其性能。而业界认为，摩尔定律将在2020年左右达到终点，即硅材料晶体管的尺寸将无法再缩小，芯片的性能提升已经接近其物理极限。
在此背景下，人们一直在寻找能够替代当前硅芯片的材料，碳纳米管就是主要的研究方向之一。美国斯坦福大学、IBM公司的研究人员都在致力于该领域的研究。国际半导体技术发展路线图近年来多次引用彭练矛团队的工作，来证明碳纳米管是一个重要的出路。彭练矛坚信，碳纳米管晶体管技术的突破对于中国半导体产业意义深远。
图：464碳纳米管晶体管模型图片。（由该研究团队提供）
一直以来，芯片都是中国科技领域的短板。尽管中国是世界最大的半导体消费国，目前国产芯片的自给率尚不足三成。据专业研究机构统计，2015年中国大陆芯片产业进口花费高达2307亿美元，是原油进口总额的1.7倍。此外，彭练矛指出中国自主研发的芯片多是低端芯片，中国的芯片制造技术距离世界前沿水平还有3到5年的差距。然而，随着硅材料的物理性能走向极限，碳基芯片的科研突破给中国芯片产业提供了换道超车的可能。
“我们的碳纳米管晶体管研发技术领先世界。中国巨大的市场和雄厚的资金更是为我们提供了广阔前景。”彭练矛说。彭练矛在2000年之前就开始研究碳纳米管晶体管，至今已近20年。今年55岁的他自称是个爱做梦的人。
尽管每天面对的是显微镜下比红细胞还小的晶体管，彭练矛脑海里经常浮现的是一幅幅关乎人类命运的未来图景：连续使用若干天无需充电的智能手机；可穿戴、舒适的微型医疗传感器；敏感性更高的机器人皮肤……彭练矛在碳纳米管的研究上取得的成就意味着，他关于未来的种种梦想或将在不久的将来成为现实。“碳纳米管晶体管比同尺寸的硅基晶体管速度快5到10倍，功耗只有其十分之一。”彭练矛说。
图：彭练矛团队研究生在做实验。（拍摄者：王健）
由于能耗低，未来手机电池续航能力会大大提高。同时，安装了这种高效芯片后，未来手机的摄像头性能也将大大增强。碳基芯片不仅能表现出更优异的性能，更令人振奋的是，它还可能做硅基芯片所做不到的事情。
彭练矛的团队已经在着手研究碳材料的医用传感器，用来检测血压、心跳和血糖等生化指标。由于碳材料与人体兼容性高，且有良好的柔韧性，这种传感器可以完美贴合皮肤，让人感觉不到它的存在。该团队还在研究用碳材料打造汽车辅助驾驶系统中的红外监控摄像头。夜间安全行驶是辅助驾驶须攻克的难关之一。由于碳材料在近红外感光性极好，用在夜视设备上可以达到极高清晰度，且对不发热的物体以及浓雾中的物体也能成像，远胜于目前常用的红外热像仪。
梦想熠熠生辉，但前路并非一片坦荡。从实验室到产品的这个中间环节在科技界有“死亡谷”之称。想要跨越“死亡谷”、走上工程化的坦途，除了更多的技术难关需要科学家攻破，来自国家和企业的支持与合作也必不可少。2014年6月，《国家集成电路产业发展推进纲要》发布，集成电路产业被定义为支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。当年9月，国家集成电路产业投资基金成立，首期规模1200亿元。《中国制造2025》明确提出，2020年芯片自给率要达到40%，2025年达到50%。“相对于一些时髦的新应用技术，类似芯片这样的基础性研究应该获得更多的关注，因为它对于一个国家的科技实力提升起着更为核心和支撑的作用。”彭练矛说。
文章链接：
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 
