编者按
步入21世纪以来，随着摩尔定律正在接近物理极限，传统硅基芯片的发展速度日益缓慢，人们一直试图寻找能够替代硅的芯片材料，而碳纳米晶体管就是最具前景的方向之一。
从2000年至今，北京大学信息科学技术学院电子学系彭练矛教授始终坚守在国产碳基芯片研究一线。
彭练矛率团队研制出高性能5 nm（纳米）栅长碳纳米管CMOS器件，其工作速度3倍于英特尔最先进的14 nm商用硅材料晶体管，能耗却只有硅材料晶体管的1/4，相关成果2017年1月发表于《科学》（Science 355:271）；而后他们提出超低功耗的狄拉克源场效应晶体管，2018年6月发表在《科学》（Science 361:387）上。
今年5月2日，北京大学建校120周年之际，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平来到北京大学考察。
在金光生命科学大楼，习近平总书记参观了北京大学理工医科五年科研成就展，其中重大原创性成果之一便是由北京大学信息科学技术学院电子学系主任、教育部“长江学者奖励计划”特聘教授彭练矛及其团队研发的“领先世界的碳芯片技术”。
5月2日上午，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平来到北京大学考察。这是彭练矛在北京大学金光生命科学大楼一层大厅向习近平介绍“领先世界的碳芯片技术”
从2000年起，彭练矛教授已在碳基纳米电子学领域坚守了18年，收获了世界领先的科研成果，未来他们还将继续在碳芯片领域奋战下去，为国产芯片实现对欧美的超越积蓄力量。
厚积薄发：困难与突破
“1987年，北京大学跨学科、跨院系地创立了全国第一个纳米科技研究机构——北京大学纳米科学与技术研究中心，其中一个研究方向就是纳米电子学。1999年4月回到北大以后，我就开始从事纳米电子学的研究。”彭练矛如是说，“最开始的七年是在不断摸索中度过的。”
本世纪初，在纳米科学和芯片领域，由于国外大学和企业在设备、技术、经验上遥遥领先，把持着绝对话语权，国内相关领域的研发处于落后和迟滞的状态。
在这样的大环境中，彭练矛和他的团队也无例外，初期的尝试往往以失败告终。
然而，
彭练矛从未想过放弃。
“国外起步非常早。刚开始的时候，我们做的电子器件在性能上跟人家完全没有可比性，落后太多，但是我们必须要做。”
正是抱着如此坚定的态度和决心，彭练矛团队从跟踪模仿Intel和IBM公司等开始，一步一个脚印，边学习边发掘纳米电子学领域中属于中国人的机会。
功夫不负有心人。2007年，卧薪尝胆的彭练矛终于迎来了他在纳米电子学研究中的第一项标志性成果——性能逼进理论极限的n型碳纳米管（简称“碳管”）晶体管。
碳纳米管晶体管模型图片
碳纳米管是一种在上世纪90年代出被发现的低维材料，具有理想电子材料所应当具备的所有优点，众多科学家曾设想用它来制备性能超越硅基技术的下一代电子技术，但始终未能达到理想的目标。

众所周知，芯片中最基本的器件是CMOS（互补金属氧化物半导体）晶体管，其中N型碳管晶体管的制备始终是世界性难题，2007年之前，全球研究人员一筹莫展，许多人离开了这个领域。
通过解决这一世界难题，彭练矛团队作为主角正式迈入了碳基芯片研究的国际舞台。
一鸣惊人：攻坚与收获
从2000年开始，彭练矛带领团队展开了碳芯片技术实用化的持续攻坚战。
科学界普遍认为碳纳米管自身的材料性能远优于硅材料，碳管晶体管的理论极限运行速度可比硅晶体管快10倍以上，而功耗也远远低于硅基器件，因此是构筑未来晶体管的理想材料。
然而，碳管晶体管的研究工作并不如想象般顺利，Intel公司和IBM公司等先驱做了大量工作，仍无法研制出性能超越硅基晶体管的碳纳米管晶体管。
制备半导体晶体管的传统方式是对半导体材料进行掺杂，通过掺入传统半导体材料的杂质来控制半导体材料的电学性能，进而实现控制这些基于半导体材料的晶体管的极性和性能。
但是，传统的掺杂工艺对碳纳米管并不适用。超强的C-C键的结合，使得可控掺杂异常困难。此外，完美的碳纳米管的结构也会由于掺杂而遭到破坏，失去材料自身的运行速度快的优势，同时还会增加晶体管的功耗，相较传统的硅材料彻底失去竞争力。

在技术难题面前，Intel等公司纷纷放弃了碳管晶体管的研制，唯有IBM公司继续研发，却也无法研制出可和硅基CMOS媲美的碳纳米管电路。
彭练矛团队从材料、工艺、器件结构等多个角度对碳纳米管CMOS器件和集成进行了深入研究。
彭练矛团队研究生在做实验
从2000年到2017年，经过十年的技术攻坚，他们放弃传统掺杂工艺，终于突破了N型碳纳米管晶体管制备这一跨世纪难题，
创造性地研发了一整套高性能碳纳米管CMOS电路的无掺杂制备方法
，
首次实现
了5 nm栅长的高性能碳管晶体管，性能超越目前最好的硅基晶体管，接近量子力学原理决定的物理极限，有望采用传统的平面工艺将CMOS技术推进至3 nm以下技术节点。

2017年1月，标志性成果发表在《科学》上，相关工作被国内外主流学术媒体和新华社报道。
《人民日报》（海外版）评价碳管晶体管的“工作速度是英特尔最先进的14纳米商用硅材料晶体管的三倍，而能耗只是其四分之一”，意味着中国科学家“有望在芯片技术上赶超国外同行”，“是中国信息科技发展的一座新里程碑”。
引领未来：砥砺与前进
尽管收获了里程碑式的成果，但距离大规模市场化应用还很遥远，国产碳芯片的发展之路还很漫长。
“我们的最终目标是要用碳基芯片替代目前的硅基芯片，应用在大型计算机、数据中心、手机等主流电子设备上。”彭练矛充满信心地说道。
碳芯片产业化面临的最大的困难之一来自于技术不尽成熟，而传统的硅基芯片则发展了半个多世纪，已达到高度的技术成熟度和市场的认可度。
尽管彭练矛团队制备出的亚10 nm碳纳米管CMOS器件已是目前世界上所能实现的最小和最强大的CMOS晶体管，但由于资源所限，目前他们使用碳纳米管技术仅能制备出微米级别的碳芯片，相应的碳纳米管CPU芯片只能达到上世纪第一款Intel芯片4004的性能。
为了逐步解决这个难题，彭练矛决定首先从硅基芯片未涉足的应用或应用较少的领域出发，用碳芯片独有的技术优势制备产品，抢占诸如透明和柔性电子学、生物电子学等细分市场。

在实现这些细分市场的产品商业化之后，再在市场支持和技术进步下，将碳芯片推向成熟、主流市场，最终实现全面市场化的宏伟目标。
实现碳芯片的进一步发展，除了依靠团队自身的努力和市场化的运作以外，来自政府和学校的支持也必不可少。
北京大学正在筹建碳基电子学研究院，以更大的力度投入碳芯片研发。彭练矛在表达感谢的同时，也呼吁各界更加关注碳芯片领域，对碳芯片的产学研用链条给予更集中的投入。
“国外在芯片相关领域每年的投资额是500多亿美元，所以，我们不投入几百亿的资金是没有可能实现突破的，”彭练矛说，“芯片的研发和产业化也不是靠几十个人就能完成的。”
社会各界的支持对于未来碳芯片的发展至关重要，研发团队的培养和整个碳芯片产业的建设也迫在眉睫，碳芯片领域的未来发展需整个社会的重视。
对于彭练矛来说，进行碳芯片技术的研究开发，为下一代电子器件和芯片的构建打下了稳固的基础，证明了芯片制造除了使用传统的硅材料以外，还有另外一条路可以走，那就是碳芯片的发展。
而最为重要的是，碳芯片技术的突破，将为整个中国的芯片领域发展带来新的希望，为中国芯片突破西方封锁、开启自主创新时代开辟一条崭新的道路。
这既是彭练矛在国产碳芯片研究领域坚守18年的背后原因，也将是他继续坚持研究下去的动力源泉。
人物介绍
彭练矛
1962年生，北京大学信息科学技术学院教授、电子学系主任。1982年于北京大学无线电电子学系本科毕业，1983年通过李政道先生主持的CUSPEA计划赴美, 于亚利桑那州立大学美国高分辨电子显微学中心师从J.M. Cowley (FRS) 教授, 1988年获博士学位。1989年至英国牛津大学, 任M.J. Whelan (FRS) 教授的研究助手。1990年被选为牛津大学Glasstone Fellow。1994年底回国,获首届国家杰出青年科学基金资助；1997年入选中国科学院“百人计划”；1999年被北京大学聘为教育部首批“长江学者奖励计划”特聘教授；2000年当选为英国物理学会Fellow。
研究方向为纳米电子及功能材料的合成；基于纳米材料的高性能电子、光电子器件的制备，器件物理，纳米集成电路的实现和系统集成；纳米器件在化学、生物传感及能源方面的应用。
▼
交叉学科报道精彩回顾
▼
吸引谢晓亮回归的地方｜解码北大BIOPIC
没有不可能！| 北大这支交叉研发大团队实现了脑科学研究的“天方夜谭”！
北大麦戈文李毓龙组“刷屏”的背后——脑的奥秘，多学科的用武之地
来来来！认识一下北大SFBC | 建设国际一流的化学生物学中心！
来源：《北京大学校报》
文字：陈嵩松、高乔
图片：新华社、受访者
排版：文婧
责编：园中葵
继续阅读
阅读原文