从2000年至今，北京大学电子学院教授彭练矛坚守在国产碳基芯片研究一线。在他看来，目前中国芯片家当链面临着被“卡脖子”的状况，关键成分是中国在芯片技能领域没有核心技能和自主研发能力，从材料、设计莅临盆制备的全套技能中任何一个环节都没能发挥主导浸染。
而碳基电子将有望冲破这种局势，实现由中国主导芯片技能的“换道超车”。
20年来，他带领团队研发出了整套碳基芯片技能，首次制备出性能靠近理论极限，栅长仅5纳米的碳纳米管晶体管，实现了“从0到1”的打破，为中国芯片打破西方封锁、开启自主创新时期开辟了一条崭新的道路。
2022年3月23日，中国科学院院士彭练矛在谈自己的科研经历。新京报 浦峰 摄
“启用新材料是办理芯片性能问题的根本出路”
作为电子产品的“心脏”，环球每年对芯片的需求已达万亿颗。“大家都希望电子设备的芯片速率更快、续航韶光更长。”彭练矛见告，碳基芯片技能的发展对付大众生活有着广泛而深远的影响，5G技能的来临将使城市变成“聪慧城市”，康健医疗、可穿着电子设备、物联网和生物兼容性器件……这些都离不开海量的数据运算，须要有强大处理能力的芯片做支撑。
在传统工艺下，这些芯片有着统一的核心材料，那便是硅。当前，硅基芯片已经进入5纳米时期，乃至在向2纳米、1纳米探索，这意味着，硅基芯片性能逼近物理极限。
步入21世纪以来，探求能够替代硅的芯片材料，成为热门话题。“当时全体学界都觉得到，硅基微电子实际上在走下坡路。学界会提前考虑，未来取代硅的材料会是什么？”彭练矛表示，传统硅基芯片材料的潜力基本已被挖掘殆尽，无法知足行业未来进一步发展的须要，启用新材料是从根本上办理芯片性能问题的出路。
市价上世纪末，纳米科技正在兴起，碳纳米管晶体管引起了不少科学家的关注。
碳纳米管是1991年由日本科学家饭岛澄男（S.Iijima）创造的。“碳原子按照六角排布，形成一个单原子层，这便是石墨烯。而一个矩形的石墨烯条带，长边对接卷成一个卷，就变成碳纳米管，直径一样平常是一纳米旁边。碳纳米管具有一些奇特的量子效应，使其电子学性能变得非常好，速率快、功耗低。”彭练矛这样描述这种新材料。
饭岛澄男在上世纪70年代初师从考利（J.M.Cowley）进行博士后研究事情，从师门来讲是彭练矛的大师兄，彭练矛就这样认识了碳纳米管。
在这之前，彭练矛在电子显微学研究方面已经积累了大量履历。1978年，高考规复的第二年，年仅16岁的彭练矛走进燕园，成为“文革”后北大无线电电子学系招收的首届学生。在恩师西门纪业教授的带领下，他与电子显微学结下了不解之缘。
1982年，彭练矛考取了北大电子物理硕士研究生，1983年，在西门纪业教授的鼓励下，彭练矛前往亚利桑那州立大学美国国家高分辨电子显微学中央攻读博士学位，师从考利（J.M.Cowley）教授。随后，彭练矛又先后前往挪威奥斯陆大学和英国牛津大学连续从事电子衍射干系研究事情，在电子显微学领域崭露锋芒。1994年，彭练矛回到祖国。
2000年，北京大学“组队”，动手研究面向未来的电子学。当时彭练矛还不到40岁，他以为自己“还有精力再做一件新的事情”。于是彭练矛带领研究团队，从零开始，探究用碳纳米管材料制备集成电路的方法。
最初几年是在不断摸索中度过的。他们创造，碳纳米管是做芯片最好的材料，“它的物理性能和化学性能、机器性能都非常适宜做电子元器件。虽然没有现成工艺可以遵照，但理论预测碳纳米管芯片性能可以好比今硅基集成电路的综合性能成百上千倍地提高。”
在摸索中，彭练矛团队提出了用碳纳米管来做集成电路的完全方案，“碳纳米管拥有完美的构造、超薄的导电通道、极高的载流子迁移率和稳定性。基于碳纳米管的电子技能有望成为后硅时期主流的集成电路技能。”
2005年，彭练矛在北大的电镜实验室留影。受访者供图
“已研发出目前天下上最好的芯片材料”
用碳纳米牵制备的碳基芯片的综合性能可以比硅基集成电路提高成百上千倍，这已成学界的共识。但这只是空想状态，如何让它变为现实？对团队来说，这个过程中碰到的大部分问题都是新的，“只能自己逐一想办法来办理。”彭练矛坦言。
首先是打破材料瓶颈，节制碳纳米牵制备技能。经由十年的技能攻坚，课题组放弃了传统掺杂工艺，研发了一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法。
碳纳米管材料非常眇小，肉眼不可见。彭练矛形容，人的一根头发丝直径差不多是几十微米或几万纳米，而这种材料的直径是头发丝的几万分之一。光学显微镜看不到，只能用电子显微镜来看，同时，还要操纵它，让它按照一定秩序排列。怎么办？
还好，彭练矛之前做过大量电子显微镜干系研究，对付不雅观察和操纵“鄙吝械”有一定履历。2017年，团队首次制备出栅长5纳米的碳纳米管晶体管，这一天下上迄今最小的高性能晶体管，在本征性能和功耗综合指标上相较最前辈的硅基器件具有约10倍的综合上风，性能靠近由量子力学测不准事理决定的理论极限。
2018年，团队再次取得主冲要破，发展出新事理的超低功耗狄拉克源晶体管，为超低功耗纳米电子学的发展奠定了根本。同年，团队用高性能的晶体牵制备出小规模集成电路，最高速率达到5千兆赫兹。
2020年，该团队首次制备出达到大规模碳基集成电路所需的高纯、高密碳纳米管阵列材料，并采取这种材料首先实现了性能超越硅基集成电路的碳纳米管集成电路，电路频率超过8千兆赫兹，跻身国际领跑行列。
事实证明，团队20年来的坚持是对的。“目前我们基本节制了碳纳米管集成电路制备技能，能够在实验室把碳纳米管集成电路加工出来，性能是目前为止天下上最好的，电路频率比美国研发的高了几十倍。”今年3月，彭练矛坐在办公室里向谈起研究的最新进展，底气十足。
在彭练矛看来，碳基芯片无疑将成为支撑基于这些技能运行数字经济的最佳选择。“我们的终极目标是要让碳基芯片在10-15年内成为主流芯片，广泛运用在大型打算机、数据中央、手机等主流电子设备上。”
“拥有自主技能才不会被西方卡住”
彭练矛见告，目前学校实验室已可以采取碳纳米管材料制备出一些中等规模乃至大规模的集成电路，“做个打算器之类没问题。”
“但是，要用它做超大规模集成电路还弗成。”彭练矛说，目前研发出的碳基芯片的集成度仍和当前世界上普遍利用的硅基芯片比较还差很远。
差在哪？彭练矛阐明称，要实现超大规模高性能集成电路，首先就须要在大面积的基底上制备出超高半导体纯度、顺排、高密度和大面积均匀的单壁碳纳米管阵列。此外更困难的便是须要有专用的工业级研发线，而这样一条研发线是北大团队所不具备的。在学校现有的实验条件下，能够制作出的最繁芜的碳纳米管芯片的集成度只有几千、最多几十万个晶体管，尺寸还是微米级的；而当下环球最前辈的硅基芯片中有五百亿个晶体管，每个晶体管的面历年夜小只有100纳米旁边。“差太远了。”
“尖端碳基芯片的专用设计工具我们同样缺少。”彭练矛认为，目前，基于碳纳米管的无掺杂CMOS技能已经不存在事理上不可战胜的障碍，但仅在实验室完成存在性验证和可能性研究和演示，并不虞味着碳基芯片技能就可以自行完成技能落地，具备商业竞争力。把学校的技能变成一个可规模生产的工业化技能，中间还要做很多事情。目前，碳基芯片的工程化和家当化还有许多问题亟待办理，还须要很长的韶光和大量的投入。
“精密生产是很难的。”彭练矛称，虽然我国是制造大国，但离制造强国还有间隔。实际情形是，如果要实现碳基集成电路规模扩大，哪怕在实验室里也须要大量资金，更不用说培植工厂、添置前辈设备、每一步的精加工。彭练矛指出：“比较之下，我们的投入还是太少。因此，社会各界的支持对付碳基芯片的发展至关主要。”
谈及未来，彭练矛表示，在国家重视且科研经费充足的情形下，估量3-5年后碳基技能能够在一些分外领域得到小规模运用；估量10年之后碳基芯片有望随着产品更迭逐渐成为主流芯片技能。
过去几十年，我国在芯片家当发展上还处于相对掉队的状态。在“复兴事宜”、“华为事宜”之后，中国“芯”问题引起重视。
“全体硅基芯片的研发上，我们掉队很多，硅基芯片在美国已经发展了60多年的韶光，我们国家在个中没有主要贡献，材料、设备、打算机软件、制造工艺等都是购买别人的。实际上这不只是‘卡脖子’，而是完完备全受制于人。”在彭练矛看来，目前想在硅基的路上“弯道超车”不太现实，“我们须要换道开车，换到碳基的道路上。这对环球来说都是一条新的道路，目前我们还处于相对领先的位置。”
“我们要发展自己的集成电路技能，拥有自主技能才不会被西方卡住。”彭练矛称，我国应捉住历史机遇，在现有上风下扬长避短，从材料开始，全面打破现有的主流半导体技能，研制出中国人完备自主可控的芯片技能，通过发展碳基芯片，实现中国芯的“换道超车”。
同时，彭练矛也很复苏：“间隔实现在芯片技能上超越欧美还有很长的路要走。”他已做好连续长期奋战的准备。
【人物名片】
彭练矛，电子和材料物理学家，目前紧张从事碳基电子学领域研究。1982年毕业于北京大学无线电电子学系并获学士学位，1988年于美国亚利桑那州立大学获博士学位，后赴英国牛津大学，1994年底返国。2019年当选为中国科学院院士。现任北京大学电子学院院长、北京碳基集成电路研究院院长。
【匠心解读】
新京报：如何理解匠心精神？匠心精神如何坚守，如何传承？
彭练矛：匠心精神一样平常指常年专注一件事情，能够把事情做到极致，成为某一专业的专家、冠军。这无疑是须要的，但目前我们所面临的许多问题，特殊是芯片问题，光发挥匠心精神是不足的。芯片问题不仅须要干系行业的人努力事情，发挥匠心精神，更须要有前瞻视野的大师来把控和平衡各行业协同进步，不断将百口当链稳步推进。
【匠民气声】
新京报：在你的生活和事情中，哪些东西是你一贯坚守的？
彭练矛：将事情做到最好，不分大小，养成一个习气，以最高标准哀求自己。就像学校学生考试一样，拿到90分达到精良并不难，但坚持要拿100分，始终都哀求自己拿出全力去拼100分就不一样。可能须要拿出200%或更多的努力才能多拿3-5分，但坚持下来，必能受益。
新京报：什么时候是你认为最困难的时候？能够坚持下去的缘故原由是什么？
彭练矛：大概是2017年，开始认识到光在学校做芯片干系的研究已经不足，不敷以推动干系领域连续向前走，须要走出学校，争取更多资源，开展碳基电子的工程化和未来的家当化研究。这些须要去打仗更大的天下，去求之前不熟习的人，都是我之前不太善于且极力避免的，当时以为非常困难。但想起了一句名言，大意是失落败并非末日，失落去向前的勇气才是最恐怖的。国家须要有自己的芯片技能，现在这个历史机遇涌现了，不论多么困难，都得坚持下去。
新京报：你希望未来还取得若何的造诣，对付未来有若何的期待？
彭练矛：希望终极将我们研发的碳基芯片技能推至主流，大家的生活因我们的努力而变得更美好。
新京报：你觉得你得到的最大的快乐是什么？
彭练矛：没有虚度光阴，为国家和人类进步做出了应有的贡献。
新京报2022年9月22日大国匠心特刊《十年磨一剑》。
新京报 冯琪
编辑 缪晨霞 校正 翟永军
