（/Lau） 随着集成电路制程工艺向3nm下探，摩尔定律即将逼近物理极限的声音也成为业界主流，那么3nm之后集成电路将如何发展？一般认为材料和设计结构创新是未来机遇窗口所在。此前，台积电业务发展副总裁张晓强和英特尔技术与制造事业部副总裁Zhiyong Ma都曾表达过类似观点。在众多新材料中，碳纳米管被认为是最有前途的新一代集成电路基础材料。
刊登于《科学》期刊的论文《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》
5月22日，国际顶级科学期刊《科学》（“Science”）以长文形式刊登了中国科学院院士、北京大学电子学系主任彭练矛和北京大学电子学系教授张志勇团队的论文《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》。该团队通过多次提纯和纬度限制自组装方法，在四英寸基底上制备了密度高达120根/微米、半导体纯度超过99.9999％的碳纳米管平行阵列，并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS的晶体管和电路。这意味着碳基集成电路已经初步具备工业化基础，“碳时代”即将到来。
5月26日，彭练矛和张志勇团队特意举办了媒体发布会，向媒体和公众介绍这项技术成果，发布会上，彭练矛表示：“这是一项颠覆性的技术，不同于工艺节点下探带来的数十个百分点的性能提升，碳基替代硅基可能带来数百倍的提升。一旦成功产业化，能把现有的产业格局彻底打破。”在美国对中国高科技产业发展限制力度不断加大的背景下，碳纳米管集成电路技术的突破也给中国半导体产业创造了“变道超车”的可能性。
然而，正如张志勇所说：“这项工作到此并没有结束，只是刚刚开始。”从奠定产业化基础到真正实现产业化还有一段不短的路要走，尤其在半导体这个研发投入巨大、产业链环节众多的行业。在彭练矛看来，学术界完成从0到1的创造之后，从1到无限的扩展必须由政府主导、产业界配合，才能推动这项革命性的技术真正落地。
被寄予厚望的碳纳米管
自1991年日本研究人员首次在碳纤维中发现碳纳米管至今，近三十年时间里，对这一技术的研究从未间断过。1998年，荷兰代尔夫特理工大学和IBM的研究人员开发成功碳纳米晶体管；2013年，全球第一台碳纳米管计算机在斯坦福大学问世；2019年，MIT研制出最大碳纳米管芯片……这些研究成果无不证明碳纳米管是非常理想的构建集成电路的材料。
IBM理论计算表明，若完全按照现有二维平面框架设计，碳管技术相较硅基技术具有15代、至少30年以上优势；斯坦福大学系统层面的模拟表明，碳管技术发展成为三维芯片技术，有望将目前的芯片综合性能提升将近1000倍！因此，碳纳米管自诞生之初就被寄予取代硅基的厚望。
在这一领域，中国团队入局也不晚。彭练矛的团队2000年起就开始从事相关研究工作，但受限于当时国内集成电路产业条件，直到2007年，这个团队才做出真正有影响力的成绩——完成碳纳米管CMOS器件原型。2017年，该团队首次制备出全世界迄今最小的高性能晶体管——栅长5纳米的碳管晶体管，并将成果发表于《科学》期刊。该碳晶体管综合性能比当时最好的碳基晶体管领先十倍！2018年，该团队再次在《科学》期刊刊文，发展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶体管，功耗大约只有硅晶体管的三分之一。
走向产业化的技术瓶颈
拥有如此优势的碳纳米管之所以至今都停留在学术研究阶段，没能真正产业化，是因为碳纳米管技术有其发展瓶颈，即传统技术制备出的碳纳米管既可能是半导体也可能是金属，导电性质难以确定。众所周知，只有半导体才能做晶体管。在学术研究阶段这或许不是问题，但一旦走向产业化，就要求碳纳米管具备两个条件：第一，必须是纯度99.9999％以上的纯半导体；第二，排出均匀阵列，密度保持100-200根碳纳米管/微米。
彭练矛和张志勇团队研究成果得到国内外学术界高度评价
在彭练矛和张志勇团队5月22日的研究成果问世之前，这是一个横亘在全球学术和产业界面前的难题。据张志勇介绍，该团队采用化学多次提纯和物理高速离心方法结合解决了碳基半导体纯度问题。通过类似拉单晶的方式让碳纳米管均匀排列。
北京大学电子学系教授张志勇
张志勇告诉记者：“我们的晶体管与目前主流的硅晶体管相比，性能大约有50％优势。在速度上，比商用CMOS也有明显优势。这还是在采用我们实验室非常简陋的加工技术的情况下，若采用工业级加工技术，性能优势可能更明显。”
这一成果不仅一举突破了碳纳米管实用化瓶颈，同时其采用的无掺杂技术，相较于硅晶圆制备技术，减少了近一半工艺环节，使制备成本的大幅下降成为可能。基于碳基晶体管相对硅基晶体管的综合性能优势，用相对低端的晶圆加工设备做出性能高端的芯片也并非不可能。
产业化之路
虽然彭练矛和张志勇团队的工作解决了碳纳米管材料的问题，赋予碳纳米管真正兑现自身潜力的可能性，但也只是给碳纳米管工业化奠定了基础，要真正产业化落地还有很长的路要走。
首先，半导体产业链环节众多，除了材料之外，还需要EDA、设计、制造、封装等众多工具和环节力量配合，形成生态链，才能真正推动这场技术革命。这些仅靠彭练矛和张志勇团队显然是不现实的，这就需要产学合作。
目前，彭练矛和张志勇团队正在与部分企业接触，但合作进程推动缓慢。毕竟对于企业来说，产品和盈利是第一要务。因此，彭练矛和张志勇团队也在努力将从材料到产品的所有环节走通。不过仅靠单一学术团队，这项工作推进速度缓慢，且很难产出有市场竞争力的产品。
其次，半导体产业是一个需要巨大投入的产业，更何况从“硅时代”到“碳时代”是一场深刻的技术革命。然而，无论是政府还是企业，在看到产品之前投入热情都不高。彭练矛无奈地说：“像这样的精加工的技术，不去发展可能就不具有价值，更谈不上产品。把加工技术发展好了，未来我们可能就具备成批的大量加工最先进产品的能力。但若不建设基础能力不，未来也必定不会有先进产品诞生。”
最后，碳纳米管技术未来在器件和集成电路设计、制备技术还需要进行大量工程化开发。降低成本，提高稳定性，向商用标准迈进。
为了推动碳纳米管产业化，彭练矛和张志勇团队在北京市政府和北京大学的支持下，于2018年成立了北京碳基集成电路研究院，致力于通过材料创新将集成电路技术推进到7nm节点以下，拥抱后摩尔时代。该研究院一方面将现有碳纳米管制备技术推向工业化标准；另一方面努力打通碳基芯片制造各环节，将研究成果产品化。
谈及碳纳米管产业化落地工作，彭练矛告诉集微网：“除了投资、场地等硬件支持，有半导体工艺经验的人才支持最为重要。微电子产业经过多年发展已经积累了非常好的经验可以借鉴，但没有相关人才，现在我们只能自己摸索，速度太慢了。”
中国“芯”“变道超车”机会
中国科学院院士、北京大学电子学系主任彭练矛
彭练矛认为，碳基半导体产业化的推动，须由政府主导，产业界配合。他坦言：“我们只能在小规模上慢慢努力，一定程度上还是要国家来下这个决心。判断对现有加工芯片的能力和方式是否满意，对碳基的未来是否看好。当然新的可能性有可能带来新的前景，也有失败的可能性。但除了碳管技术，其他材料离硅技术还差的远。碳纳米管是已经展示出的最有前景的技术。从我们20年工作经验来看，也没有发现可能阻止这项技术推进的障碍。”
鉴于碳基集成技术具有更好的工艺兼容性，可以实现柔性、透明等新形态芯片，有望在显示、医疗和健康监控、抗辐射等特殊环境、以及近红外成像等领域首先实现规模应用。而硅本身并非柔性材料，在这些特殊领域相对优势薄弱。彭练矛建议，碳基半导体产业化可以优先从这些领域突破。
对新技术的贡献度决定了未来产业的话语权，如同美国今天在集成电路产业的话语权来自其在该领域数十年的贡献。碳基半导体是个全新的起点，尚没有任何国家和团队建立起绝对优势，比如MIT在系统设计层面领先世界，而彭练矛和张志勇团队在材料和晶体管性能方面技术领先。在芯片产业自主可控愈益紧迫的当下，碳纳米管或能成为中国半导体产业“变道超车”的机会。
全新的基础材料和晶圆制备工艺意味着一个重塑产业链的机会，从EDA到封装，需要构建全新的生态链。这需要政府和业界以拥抱新技术的热情和布局未来的远见，共同努力。值得一提的是，在5月26日的发布会现场，有华为公司人员出席。不过当被问及双方是否有合作时，彭练矛表示不便透露。（校对/Andrew）
