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彭练矛院士：没有芯片，就没有中国未来的现代化

2023.11.01

原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/11/511473.shtm

当前，云、大数据、人工智能、个性化医疗和健康监控领域，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，中国未来如果没有芯片，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，做好芯片最终是要把晶体管做好。过去100多年，这部分产品主要是欧洲、美国企业在做，如真空二极管、三极管的制造，我国基本没有相关的基础贡献。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，已经做出了一些成就，仍需加快追赶步伐。

算力需求事关民族发展

人们常说，半导体的进程是1微米、0.7微米，包括一些常被提及的10纳米、7纳米、5纳米技术，这些到底意味着什么？

它实际上最早是从摩尔定律来的。摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔在1965年提出的，其核心内容是，集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。

所谓的微米、纳米技术，即每往下走一代，晶体管的数目会增加一倍，面积要缩小大概一倍，线性尺寸大致缩减0.7倍。但对于先进制程，如3纳米技术来说，目前仍在存在挑战。晶体管的栅电极长度大概需要10多个纳米，这个量级并不会更小，否则就会产生隧穿（电子等微观粒子穿过本来无法通过的壁垒）等问题。因此，5纳米或3纳米现在仍是一个符号，代表着科技进步的方向。

上个世纪初以来，算力沿着并不十分严格的线性关系发展。贝尔实验室在1947年发明晶体管之后，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。但最近发生了一个非常大的变化，在2012年之前，算力每24个月翻一倍，后来转变为3.4个月翻一倍，2019年后发展到2个月翻一倍。今天，人们对算力的需求已经产生了巨大的提升。

如何支撑算力快速发展的需求？这个问题决定着一个民族、一个国家未来是否能够真正跟上发展步伐。

半导体产业几乎是按照摩尔定律发展的。上世纪八九十年代，由于日本半导体快速发展，美国半导体行业在1980年代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，在1997年重新获得48%的全球市场的领导地位。

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，而中国半导体行业的投入比例不到欧美的一半，要改变这个现状，需要国家在其中发挥重要作用。同时，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。我国占半导体市场份额约7%，但直接就业人数远远超过美国，亟需提高效率。当前我国缺乏的不是一般的半导体操作人员，而真正能够改变现状的领军人才。

材料是芯片进步主驱力

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%的现代芯片是由FET（场效应晶体管）构成的，分为电子型和空穴型。两类晶体管相当于人的两条腿，配对工作可以使人平衡，往前走得很快。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，然后把它的稳定性、均匀、廉价地做好，实际上就能够实现赶超。

本世纪以来，整个晶体管的尺寸进入了亚100纳米技术水平，整个晶体管的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。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超过一半的元素，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向饱和，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需要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中的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物性优势，即高性能（频率）、低功耗。碳纳米管的低温制备（400C以下）使得3D芯片制备成为可能。

2007年，北京大学团队做出第一个超越硅的晶体管，之后我们花费了约10年时间把当时的90纳米器件做到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伏电压驱动性能还要好，功耗降低了4倍多，速度则提高了三倍左右。实现碳纳米管技术的前提是克服包括碳纳米管材料的若干挑战，北大团队经过二十年的努力，基本解决了这些挑战，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。

碳基电子在毫米波和太赫兹波段的优势有速度更快，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技术要求有大量可使用的连续频段，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90~300GHz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，这一新技术全面超越主流半导体技术，需要社会和国家的参与和支持。