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          大教授突破碳基半導體技術,在《科學》發表三篇論文!“中國芯”夢想更進一步

          2020-06-01 09:20:15  來源:DeepTech深科技

          摘要:中國在硅基芯片上的落后態勢,有可能在未來的碳基芯片上得以改觀。
          關鍵詞: 半導體技術 中國芯
            中國在硅基芯片上的落后態勢,有可能在未來的碳基芯片上得以改觀。
           
            2020 年 5 月 22 日,北京大學電子學系彭練矛院士和張志勇教授團隊在《科學》雜志發表《用于高性能電子學的高密度半導體碳納米管平行陣列》論文,介紹了該團隊最新發展的多次提純和維度限制自組裝方法。
           
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            圖 | 彭練矛院士和張志勇教授團隊,在《科學》雜志發表的論文(來源:Science 官網)
           
            據了解,該方法可以在四英寸基底上,制備出密度高達 120 / 微米、半導體純度超過 99.9999%、直徑分布 1.45±0.23nm 的碳納米管(以下簡稱“碳管”)平行陣列,并在此基礎上,首次實現性能超越同等柵長的硅基 CMOS 技術的晶體管和電路。這一成果,也將為碳基半導體進入規模工業化奠定基礎。
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          圖 | 北京大學電子系教授、中科院院士彭練矛(來源:DeepTech 攝)
           
            在 5 月 26 日的媒體見面會上,彭練矛表示,用碳管制成的芯片,有望使用在手機和 5G 基站中。DeepTech 也注意到,當天有來自華為的技術人員出席會議。
           
            據悉,北京碳基集成電路研究院,是碳管技術的主要研究單位,該單位由北京市科委和北京大學共建。目前,研究院正在和華為等國內廠商對接。DeepTech 從該研究院的工作人員處了解到,未來不排除華為等國內廠商,在芯片中使用碳管的可能。
           
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            圖 | 北京碳基集成電路研究院(來源:DeepTech 攝)
           
            相關研究三次登上《科學》
           
            一直以來,英特爾和臺積電等晶圓廠商,都使用硅基技術,來生產芯片。但由于摩爾定律的日漸式微,當下的硅基芯片技術,即將碰觸極限。
           
            而在地球上普遍存在的碳元素,和硅是同族元素,它倆的化學屬性和物理屬性,也非常相似。IBM 的理論計算表明,如果完全按照現有二維平面框架設計,相比硅基技術,碳管技術具備 15 代的技術優勢。斯坦福大學的研究也表明,碳管技術有望將常規的二維硅基芯片技術,發展成三維芯片技術。這至少能將當前芯片的綜合能力,提升 1000 倍以上。故此,碳管也是公認的、最理想的硅晶替代品。
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          圖 | 碳納米管——理想的晶體管材料(來源:DeepTech 攝)
           
            北京碳基集成電路研究院的一位技術人員告訴DeepTech:多年來,英特爾和 IBM 等國外廠商,并非對碳管視而不見,但由于研究周期長、成果轉化不確定,以及礙于投資人壓力,他們均未能在碳管技術方面有所建樹。
           
            多年來,通過制備超高半導體純度的、順排的、高密度的、大面積均勻的碳納米管陣列薄膜,從而制備出首個超越相似尺寸的硅基CMOS的器件和電路,一直都是基礎制備材料中的夢想。
           
            而本次彭練矛團隊在《科學》雜志發表的成果,標志著碳管電子學領域、以及碳基半導體工業化的共同難題被攻克。
           
            據彭練矛團隊介紹,碳管作為一種新型納米半導體材料,在物理、電子、化學和機械方面,具備特殊優勢。如果碳集信息器件技術,可以充分利用上述優勢,就有希望生產出性能優、功耗低的芯片。
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            圖 | 碳管高速集成電路
           
            彭練矛在采訪中介紹,使用上述技術,可生產出三類產品:信息處理芯片、傳感器芯片和通信芯片。以微型醫療傳感器芯片為例,這種芯片很小,佩戴在人體上幾乎無感,因此非常適合老人在家時,給自己做健康測試。
           
            實際上,在此之前,彭練矛團隊憑借碳基半導體的研發成果,已經兩度在《科學》雜志發表論文。
           
            第一次是 2017 年。彭練矛帶領團隊,首次制備出柵長 5 納米的碳管晶體管、也是世界上迄今最小的高性能晶體管,綜合性能比當時最好的硅基晶體管領先十倍,接近了理論極限。具體來說,其工作速度 3 倍于英特爾當時最先進的 14nm 商用硅材料晶體管,但能耗卻只有其四分之一。
           
            第二次是在 2018 年。高功耗給集成電路帶來的發展瓶頸,越來越嚴重,半導體廠商也開始不斷推遲新工藝上市時間,甚至有廠商開始被人稱為“牙膏廠”。
           
            而理論上來看,碳管比硅晶體的潛力更大。所以,彭練矛團隊在審視傳統晶體管功耗的物理極限后,他們提出、并制備出一種新型超低功耗晶體管:狄拉克源晶體管。該晶體管,可大幅降低傳統晶體管工作時、需要的驅動電壓,能夠滿足未來超低功耗集成電路的需要。
           
            此外,該團隊還曾在《自然》子刊(“Nature Electronics” et al.)上發表多篇論文。
           
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          圖 | 碳基工藝平臺的應用驗證(來源:DeepTech 攝)
           
            伏案研究二十載,只為這片“中國芯”
           
            近日,被美國敲打的華為,因為臺積電為其協調芯片生產,再次登上熱搜。有網友質疑 “華為這么厲害一個芯片都靠別人?” 如果了解芯片生產,你就會發現,國內的芯片技術能力,好比一只邊緣不齊的木桶,其短板之處,決定著中國還無法實現芯片自主。
           
            一塊指甲大的芯片,需要設計、制造和封測三大環節。
           
            設計環節中,中國設計芯片的工具,用的依舊是國外的 EDA 軟件。即便厲害如華為海思,也才剛于 2018 年實現 “去美國化”;制造環節中,荷蘭 ASML 的光刻機,也會因美國攔阻、而不敢賣給中國;至于封測環節,盡管中國表現較好,但是該環節利潤偏低。
           
            不夠先進——仍舊是擺在“中國芯” 面前的困局。而彭練矛早在二十年前,就開始為 “中國芯” 奔走努力。
           
            回首過去幾十年,彭練矛和團隊的研究,一路披荊斬棘。
           
            1997 年,北京大學成立全國第一個納米科技研究機構:北京大學納米科學與技術研究中心。1999 年,彭練矛從當時任職的牛津大學,回到母校北京大學,從事納米微電子研究。
           
            彭練矛曾在日后的采訪中,對北大校報記者稱:“最開始的七年是在不斷摸索中度過的。”那時,國外大學和廠商,在納米電子技術、設備和經驗上,把持著最高話語權,國內相關研究一直處于落后和停滯狀態。在一窮二白的大環境中,彭練矛團隊在早期研究中,吃了不少“敗仗”。
           
            但是彭練矛“不撞南墻不回頭”,他和團隊開始模仿 IBM 的產品,打算走先復制、再超越的道路。
           
            耗時整整 8 年,彭練矛終于迎來第一顆果實。2007 年,他在納米電子學研究中的第一項標志性成績誕生:碳管制備技術,得到初步突破。
           
            然后又是整整十年的冷板凳。如前文所述,到了 2017 至 2018 年,彭練矛團隊先后兩次在《科學》期刊發表論文。
           
            而 2020 年最新發表的這項成果,是在碳基半導體制備材料上,解決了純度、面積和密度順排等長期無法攻克的問題。北京碳基集成電路研究院的專家告訴 DeepTech,自兩年前 4 吋碳基晶元的整條線投入從制備、電路設計、光刻、封裝全線的實驗以來,已經在產品端上出了 4 吋 5 微米柵長的碳基晶元。這次的成果直接可以跟前端射頻器件廠商牽手。
           
            當前,中國在碳基信息電子器件領域,不僅基礎扎實,研究能力也很強,并已處于世界先進水平。彭練矛團隊表示:“(我國)應充分抓住時間窗口,利用新技術的紅利,形成全新的、自主的信息器件技術。”
           
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          圖 | 領先世界的碳芯片技術(來源:DeepTech 攝)
           
            彭練矛曾說,如果把芯片比作一棟房子,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。關于摩爾定律的終點,業界沒有定論,但 2020 年至 2025 年,是人們普遍認為的摩爾定律“死亡期”。
           
            如果那一天真的來到,硅晶體管的尺寸將無法再縮小,芯片性能提升也將接近物理極限。那么,碳管就會成為新的“磚頭”,或許等碳管開始量產之時,正是國產芯片出頭之日。
           
            -End-

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