近日，來自MIT的Gage Hills等人在Nature發表論文，報告了碳納米管芯片製造領域的一項重大進展：一個完全由碳納米晶體管構成的16位微處理器。這個論文發佈了以後，在整個半導體圈子內引起了轟動。因為在摩爾定律事實上失效了以後，行業內的人都在尋找硅的替換材料，而碳納米管則被看作一個有希望的替代品。這正是MIT這個新聞發佈以後引發大家關注的一個重要原因。
但其實在碳納米晶體管方面，早在2017年，北京大學信息科學技術學院彭練矛-張志勇課題組就研究出了5納米碳納米管CMOS器件，將晶體管性能推至理論極限。
所以究竟全球的碳納米管技術發展水平如何？我國碳納米管技術進展到何種地步？國內外差距體現在哪裡？碳納米管技術未來前景以及發展方向是怎樣的？帶著這些問題，半導體行業觀察今日獨家專訪了彭練矛教授。
在接受採訪的時候，彭教授首先指出：“這是一項非常重要的進展。2013年，這個研究團隊發表了由178個晶體管組成的只能執行簡單指令的碳納米管計算機。6年過後，他們已能製造完整的由14000個碳納米管晶體管組成的處理器了，這是巨大的進步。這個成功的意義不在於這個處理器的功能，而在於碳納米管CMOS技術正在快速走向成熟，走向應用這個事實。”
後摩爾時代的最優選擇
其實後摩爾技術有很多選擇，如三星正在推動的GAA和FinFET發明者胡正明教授正在推動的負電容晶體管都是當中的代表，碳納米管則是另一撥人堅持的流派。因為其原子量級的管徑保證了器件具有優異的柵極靜電控制能力，更容易克服短溝道效應。其超高的載流子遷移率則保證器件具有更高的性能和更低的功耗。所以這種材料被認為是構建亞10納米晶體管的理想材料。而多個理論研究也表明，碳納米管器件相對於硅基器件來說在速度和功耗上具有5-10倍的優勢，有望滿足“後摩爾時代”集成電路的發展需求。
而在彭教授看來，雖然傳統技術可在現有的框架下繼續推進。例如GAA和負電容晶體管等。但所有這些技術的發展均可歸納到以硅基為基礎，以更高性能和低功耗為目的。GAA技術的發展是為了更好地控制晶體管的溝道，降低短溝道效應，使得晶體管向更小尺寸縮減；負電容晶體管等技術的發展也是為了能夠進一步降低工作電壓，進而減低芯片功耗。
“後摩爾技術的發展應當更多的是突破現有的框架，包括新材料的應用，新原理，新信息載體等。傳統半導體不一定是發展新原理器件最佳的系統。而新材料則提供了廣泛的探索空間。”，彭練矛教授強調。“碳納米管的應用不僅僅是可能將現有的技術繼續向前推進幾個技術節點，而是可能提供全新的可能性”，彭教授進一步指出。
彭教授舉例說到，他們2017年發表在Science的5納米碳納米管晶體管的工作就證明了碳納米管晶體管可以在達到理論極限時都可以克服短溝道效應，也就是可以用一個簡單的平面工藝一直走到物理極限，而不需如硅技術那樣發展更復雜的三維晶體管技術，例如FinFET，來降低短溝道效應。“這對於沒有完全掌握先進半導體制備技術（例如FinFET以及在未來3納米技術節點可能出現的納米線、納米片技術）的中國半導體產業來講至關重要；另外，就是碳納米管技術是一個低溫技術，可以製備三維的芯片。這為未來的芯片製造打開了一個廣闊的空間，有望將現有的芯片性能提高上千倍。這是一個全新的框架，全新的路徑，極有可能也是中國半導體技術真正的未來希望”，彭教授補充說。
除此之外，彭練矛教授還表示，碳納米管技術是一個基礎技術，將來有可能對電子技術的方方面面都會產生重大影響。目前最受關注的是碳納米管數字電子學和模擬電子學，但在其它新興的柔性電子學、顯示和傳感等應用方面也有非常重要的進展。我們一直聚焦在高性能、低功耗的碳納米管器件研究方面，這是未來碳納米管技術真正走向應用的基礎。我們的目標是性能大幅度超越硅基CMOS器件的碳基CMOS器件以及基於這樣的高性能器件的碳納米管集成系統；MIT研究組的重點和優勢是系統構建，但這個系統是建在性能不可能超越硅基CMOS器件基礎上的。
國內與MIT水平不相伯仲
從彭練矛教授的介紹我們得知，第一個碳納米管晶體管是在1998年由美國和荷蘭科學家制備出來的，至今已有21年了。但直到2006年之前，我國科學家在這個領域的貢獻基本是零。而其實國外的科學家在採用傳統摻雜工藝製備碳納米管晶體管的過程中也遇到了重大挑戰，彭教授接著說。
如Intel的器件專家在2005年，就針對該領域做了系統總結，並發表了論文。按照他們的結論，那就是無法制備出性能超越硅基n型晶體管的碳納米管器件。換而言之也就是無法超越硅基CMOS技術，之後Intel放棄了碳基集成電路技術。
而彭教授的團隊也從2000年開始了碳基電子學的工作，並於2007年發表了非摻雜製備碳納米管CMOS器件的方法，製備出了第一個性能超過硅基相同尺寸的碳納米管n型晶體管，之後又發表了第一個中等規模的碳納米管CMOS集成電路，頻率達到5GHz的碳納米管集成電路。
“我們的研究思路和MIT不同，是一條可以超越硅基CMOS的新路，目前在簡單集成電路中也得到了演示。我們製備的小尺度碳納米管晶體管的性能要比MIT研究組的好得多，綜合性能超過商用硅基14納米晶體管十幾倍。而MIT製備的器件遠遠沒有達到硅基器件的水平。我們構建的碳納米管集成電路沒有MIT這麼複雜”，彭練矛教授強調。彭教授進一步指出，他們團隊的優勢主要體現在材料和器件的製備。
基於此，2017年在北京科委的支持下，彭教授團隊構建出了由大概2500個晶體管組成的CPU，性能大概和Intel 4004相當。但由於當時的芯片設計和工藝均不完善，所製備出來的CPU遠遠沒有達到碳基電路應有的水平，因而他們也沒有發表這個成果。
之後，彭教授團隊將注意力集中到更基礎的高性能晶體管層面，於2017年將晶體管推至理論極限。2018年，基於這些高性能晶體管，他們製備了集成規模小，但性能可以和硅基集成電路相比的集成電路。特別是由幾十個晶體管組成的測試電路的頻率達到了5GHz以上，遠遠超過了之前由IBM研究組創造的280MHz記錄，結果發表在Nature Electronics上。MIT集成電路雖然更加複雜，但電路速度仍然在MHz以下，遠未達到碳納米管電路應有的水平。
“MIT目前的技術方案是不可能超越硅基集成電路的，但我們的方案是能夠超越硅基集成電路的。我們的短板是工具（例如EDA等）和芯片設計，在這個方面，MIT比我們強”，彭教授坦言。
有望率先在中國開花結果
在彭教授看來，碳納米管技術的發展是歷史必然，是不以我們的主觀意志為轉移的，也是不可阻擋的。但懸念是最早由誰發展出來，最終由誰來主導。他強調。
“碳納米管的製造乃至商用，面臨最大的問題還是決心，國家的決心。若國家拿出支持傳統集成電路技術的支持力度，加上產業界全力支持，3-5年應當能有商業碳基芯片出現，10年以內碳基芯片開始進入高端、主流應用。”，彭練矛教授說。
但他也坦言，半導體技術產業的發展需要一整個鏈條，從材料、計算機輔助工具、設備、工藝等。但之前傳統半導體技術的發展，整個鏈條基本都是國外發展起來的。國內雖然經過多年的努力，距離國際最前沿尚有一定距離。
然而在碳納米管技術方面，我們在材料、器件模型和工藝等方面有很好積累，對於加工設備的要求沒有頂級硅基集成電路那麼高。若能在計算機輔助工具和芯片設計等方面儘快佈局，可望很快打造出符合中國國情的碳納米管集成電路產業生態鏈。
根據彭教授的觀點，以下幾點會是碳納米管技術首先在國內開花結果的原因：
（1）我國的傳統半導體技術並不太發達，應當不會成為發展新技術的負擔和障礙，相對而言對於新技術的接納比較容易；（2）發展新半導體技術的資金非常雄厚；（3）中國有最大的芯片市場。
“綜上所述，只要我們下定決心，將碳基集成電路技術在中國率先發展起來，大有希望”，彭教授告訴記者。
*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。
今天是《半導體行業觀察》為您分享的第2057期內容，歡迎關注。
半導體行業觀察
『半導體第一垂直媒體』
實時 專業 原創 深度
"