为“中国芯”换道超车｜北大电子学系教授彭练矛的芯片强国梦

来源:北京大学招生办

本文文章内容起源于新华社，原题目为

《为了“中国芯”换道超车——彭练矛的芯片强国梦》

新华社北京6月28日电（记者王健 魏梦佳）当人类生活越来越离不开手机、电脑等电子产品时，这些产品的中心部件芯片正面临着性能极限的迫近。

好在科学家们正在摸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。

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率领团队胜利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。该结果于今年初登载于美国《科学》杂志。

“假如把芯片比作一栋房子，晶体管就是建房的砖头，一栋栋的房子就形成了我们的信息社会。”彭练矛说。

硅是传统的半导体材料。长期以来，整个半导体产业遵守摩尔定律，不断缩小晶体管尺寸以提升其性能。而业界以为，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，芯片的性能晋升已经亲近其物理极限。

在此背景下，人们一直在寻找可以替换当前硅芯片的材料，碳纳米管就是主要的研究方向之一。美国斯坦福大学、IBM公司的研究职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屡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。

彭练矛深信，碳纳米管晶体管技术的打破对于中国半导体产业意义深远。

碳纳米管晶体管模型图片。（由该研究团队提供）

一直以来，芯片都是中国科技范畴的短板。只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入口消费高达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程度还有3到5年的差距。

然而，随着硅材料的物感性能走向极限，碳基芯片的科研冲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巧当先世界。中国伟大的利来国际网址市场和雄厚的资金更是为我们供给了辽阔前景。”彭练矛说。

彭练矛在2000年之前就开端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。

尽管天天面对的是显微镜下比红细胞还小的晶体管，彭练矛脑海里时常浮现的是一幅幅关乎人类运气的未来图景：持续应用若干天无需充电的智能手机；可穿着、舒服的微型医疗传感器；敏理性更高的机器人皮肤……

彭练矛在碳纳米管的研究上获得的造诣意味着，他关于未来的种种幻想或将在即将的未来成为现实。

“碳纳米管晶体管比同尺寸的硅基晶体管速度快5到10倍，功耗只有其非常之一。”彭练矛说。

彭练矛团队研究生在做实验。（拍摄者：王健）

由于能耗低，未来手机电池续航才能会大大进步。同时，装置了这种高效芯片后，未来手机的摄像头性能也将大大增强。

碳基芯片不仅能表示出更优异的性能，更令人振奋的是，它还可能做硅基芯片所做不到的事件。

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，让人感到不到它的存在。

该团队还在研究用碳资料打造汽车帮助驾驶系统中的红外监控摄像头。夜间平安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，用在夜视装备上能够到达极高清楚度，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。

妄想熠熠生辉，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。

想要逾越“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协作也必不可少。

2014年6月，《国家集成电路产业发展推进纲领》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保险的战略性、基本性和先导性产业。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》明白提出，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，相似芯片这样的基础性研究应该取得更多的关注，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。

彭练矛

(研究员，博士研究生导师。北京大学长江特聘教授)

彭练矛，男，1962年9月生，1982年北京大学电子学系毕业，1988年在美国获物理学博士学位。研究员，博士研究生导师。北京大学长江特聘教学（纳米科学与技术）。系统发展了表面电子衍射和成象的理论和试验方法，研究了分子束外延生长特殊是半导体超晶格材料的成长过程的掌握方法；发展了弹性与非弹性动力学电子衍射的一般实践，高能电子衍射的张量理论，动力学电子衍射数据的求逆办法；对一系列重要的新材料，包含Ti基生物材料，新型分子筛材料，高温超导材料和纳米碳管材料的构造和性能进行了系统的剖析。发表论文120余篇，被引用千余次。1998年获求实科技基金会颁发的"出色青年学者奖"。2000年在纳米科学方面的工作被列入"中国基础科学研究十大新闻"第一条。 2001年被聘为国家重点基础研究发展计划项目"纳电子运算器材料的表征与性能基础研究"项目首席科学家。

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