為了「中國芯」換道超車——彭練矛的晶元強國夢

新華社北京6月28日電（記者王健 魏夢佳）當人類生活越來越離不開手機、電腦等電子產品時，這些產品的核心部件晶元正面臨著性能極限的逼近。

好在科學家們正在探索用新材料來替代硅製造晶元，從而衝破晶元的物理極限。在這方面，科學家已經走在了世界前列，這也為芯片產業的換道超車提供了可能。

北京大學電子系教授彭練矛帶領團隊成功使用新材料碳納米管製造出晶元的核心元器件——晶體管，其工作速度3倍於英特爾最先進的14納米商用硅材料晶體管，能耗只有其四分之一。該成果於今年初刊登於美國《科學》雜誌。

「如果把晶元比作一棟房子，晶體管就是建房的磚頭，一棟棟的房子就構成了我們的信息社會。」彭練矛說。

硅是傳統的半導體材料。長期以來，整個半導體產業遵循摩爾定律，不斷縮小晶體管尺寸以提升其性能。而業界認為，摩爾定律將在2020年左右達到終點，即硅材料晶體管的尺寸將無法再縮小，晶元的性能提升已經接近其物理極限。

在此背景下，人們一直在尋找能夠替代當前硅晶元的材料，碳納米管就是主要的研究方向之一。美國斯坦福大學、IBM公司的研究人員都在致力於該領域的研究。國際半導體技術發展路線圖近年來多次引用彭練矛團隊的工作，來證明碳納米管是一個重要的出路。

彭練矛堅信，碳納米管晶體管技術的突破對於半導體產業意義深遠。

一直以來，晶元都是科技領域的短板。儘管是世界最大的半導體消費國，目前國產晶元的自給率尚不足三成。據專業研究機構統計，2015年大陸晶元產業進口花費高達2307億美元，是原油進口總額的1.7倍。

此外，彭練矛指出自主研發的晶元多是低端晶元，的晶元製造技術距離世界前沿水平還有3到5年的差距。

然而，隨著硅材料的物理性能走向極限，碳基晶元的科研突破給芯片產業提供了換道超車的可能。

「我們的碳納米管晶體管研發技術領先世界。巨大的市場和雄厚的資金更是為我們提供了廣闊前景。」彭練矛說。

彭練矛在2000年之前就開始研究碳納米管晶體管，至今已近20年。今年55歲的他自稱是個愛做夢的人。

儘管每天面對的是顯微鏡下比紅細胞還小的晶體管，彭練矛腦海里經常浮現的是一幅幅關乎人類命運的未來圖景：連續使用若干天無需充電的智能手機；可穿戴、舒適的微型醫療感測器；敏感性更高的機器人皮膚……

彭練矛在碳納米管的研究上取得的成就意味著，他關於未來的種種夢想或將在不久的將來成為現實。

「碳納米管晶體管比同尺寸的硅基晶體管速度快5到10倍，功耗只有其十分之一。」彭練矛說。

由於能耗低，未來手機電池續航能力會大大提高。同時，安裝了這種高效晶元后，未來手機的攝像頭性能也將大大增強。

碳基晶元不僅能表現出更優異的性能，更令人振奮的是，它還可能做硅基晶元所做不到的事情。

彭練矛的團隊已經在著手研究碳材料的醫用感測器，用來檢測血壓、心跳和血糖等生化指標。由於碳材料與人體兼容性高，且有良好的柔韌性，這種感測器可以完美貼合皮膚，讓人感覺不到它的存在。

該團隊還在研究用碳材料打造汽車輔助駕駛系統中的紅外監控攝像頭。夜間安全行駛是輔助駕駛須攻克的難關之一。由於碳材料在近紅外感光性極好，用在夜視設備上可以達到極高清晰度，且對不發熱的物體以及濃霧中的物體也能成像，遠勝於目前常用的紅外熱像儀。

夢想熠熠生輝，但前路並非一片坦蕩。

從實驗室到產品的這個中間環節在科技界有「死亡谷」之稱。

想要跨越「死亡谷」、走上工程化的坦途，除了更多的技術難關需要科學家攻破，來自國家和企業的支持與合作也必不可少。

2014年6月，《國家集成電路產業發展推進綱要》發布，集成電路產業被定義為支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業。當年9月，國家集成電路產業投資基金成立，首期規模1200億元。

《製造2025》明確提出，2020年晶元自給率要達到40%，2025年達到50%。

「相對於一些時髦的新應用技術，類似晶元這樣的基礎性研究應該獲得更多的關注，因為它對於一個國家的科技實力提升起著更為核心和支撐的作用。」彭練矛說。