北大 vs 麻省理工学院!全球两大顶级碳基芯片团队已低调开启另一场“芯片竞速赛” | 专访

科学
北大 vs 麻省理工学院!全球两大顶级碳基芯片团队已低调开启另一场“芯片竞速赛” | 专访
麻省理工科技评论 2020-06-15

2020-06-15

这次能顺利弯道超车吗?
科技 科学
这次能顺利弯道超车吗?

“就算不能全面领先世界,起码可以拥有筹码。这样别人卡我们,我们也可以卡别人。”

正参与中国碳基芯片研究的郭鑫(化名),对中国有望弯道超车的碳管芯片研究,做出上述分析。

过去,中国芯片更像是“在别人的墙基上砌房子”,如今有望在自家院子垒墙。北京大学电子学系彭练矛院士,耗二十年之力,终于在碳管研究上实现重大突破。

2020 年,彭练矛和团队、发展出全新的提纯和自组装方法,并使用该方法制备出高密度、高纯半导体阵列的碳纳米管材料,在此基础上还首次实现性能超越同等栅长硅基 CMOS 技术的晶体管和电路(CMOS,互补式金氧半导体)。

彭练矛的另一个身份,是北京碳基集成电路研究院院长。该研究院由北京市科委和北京大学共建。据他透露,研究院获得了北京市科委的支持。

此外,科技部纳米专项,给予北大碳基团队共计 20 年的大项目,并提供资金支持 9000 万元左右;国家自然科学基金,则提供 6 年共计 1000 万元的资金支持。

国家科技主管部门,为何对此项目寄予厚望?当前,晶体管主要用硅做成,寻找硅的替代品,是学术界应对摩尔定律 “失效” 的当务之急。早在 2004 年,全球学术界就发现,用碳做的晶体管,可以代替硅晶体管。

然而,近日麻省理工学院(以下称 MIT)的一项研究成果,必将给中国的研究带来竞争。

6 月 1 日,该校的电气工程与计算机科学系助理教授马克斯·舒拉克(Max M. Shulaker),带领团队在《自然·电子学》杂志发表了题为《在商用硅制造设施中制造碳纳米管场效应晶体管》(Fabrication of carbon nanotube field-effect transistors in commercial silicon manufacturing facilities)的论文。

图 | MIT 助理教授马克斯 · 舒拉克(来源:Stanford ENGINEERING)

舒拉克团队改进了一种将衬底浸没在纳米管溶液的沉积技术,从而让工业设备制造碳管成为可能。他们表示,这将促进碳管尽快应用到商业中。

图 | MIT 团队展示论文成果

同样研究该技术的彭练矛告诉 DeepTech,这篇文章并不新鲜,只不过展示了制备薄膜的细节。但意义比较重大的地方在于,这些工作是在商业硅基线上做的,它的确代表碳纳米管集成电路,将会很快进入公众视野。

图 | MIT 团队近日在《自然·电子学》发表的论文

不过彭练矛表示,目前 MIT 团队的薄膜还是无序的,所以就算可以制备出来,性能未必很好。

从经验上来看,彭练矛团队的能力,也完全可以和舒克拉团队抗衡。相比舒克拉这位 90 后,彭练矛研究经验更多,论文发表量也远超前者,其团队已在《科学》发表三篇论文,在《自然》子刊也发表过多篇论文。

并且他还在牛津大学工作过,国际化方面完全不是问题。但 MIT 论文的一个细节,让人“细思极恐”。

彭练矛团队获得了政府研究资金的大力支持,而 MIT 团队的研究,除了有美国国防高级研究计划局三维芯片系统计划和美国空军研究实验室的官方支持外,还有 ADI 和 SkyWater 这样的半导体公司支持。

图 | MIT 的研究有半导体公司 ADI 和 SkyWater 的支持

来自企业的支持,正是彭练矛团队当前急需的。他表示,中国企业并没有出大钱,也没有像美国企业这样深度参与。

中国决策层常讲,“扶上马送一程”。但是,送上路后,真正被企业所用,才能体现研究成果的价值。

“他们卡我们,我们也可以卡对方”

前文的郭鑫,曾去斯坦福大学交流,当时他和舒拉克在一个课题组。他告诉 DeepTech,舒拉克从斯坦福大学读博期间,就已开始研究碳管。

舒拉克当时所在的斯坦福团队的主要领导者之一,是目前任职台积电首席科学家的黄汉森,化学团队则由柔性电子领域先驱、斯坦福大学化学工程系主任兼教授鲍哲南担纲。

后来,舒拉克从斯坦福毕业、并在发表几篇论文后,来到 MIT 成为助理教授、继续开展碳管研究。

MIT 团队通过和美国其他高校以及公司合作,在 PDK 和 EDA 工具开发、系统设计、工艺工程化等方面更具优势,各方面比较均衡。

相比舒拉克团队,北大彭练矛团队在碳基集成电路技术的基础- 高性能碳基晶体管和高质量碳纳米管材料方面,具有领先优势,一些成果已经做到世界最佳。

可以说,当前全球碳管芯片研究做得最好的,正是 MIT 舒克拉团队和北大彭练矛团队。但让彭练矛担心的是,企业合作是目前最大的短板。

而美国公司和高校之间交流和流动性较好,美国公司普遍愿意给高校投钱做项目,并会提出明确目标,让高校定期汇报进度。

目前,国内公司更愿意在研究方案成熟时,来和高校合作。例如在通信领域,企业和高校的合作就较多。因为这一般不涉及 “卡脖子” 的硬科技技术,通过改进算法或模型,就能出产品。

而带有不确定性的合作,一般短期内很难给公司带来盈利,长期来看也存在一定的风险,一般的公司也就没有给高校投钱的动力。处在行业引领地位的公司,例如华为,会更关注基础研发这部分,目前已和彭练矛团队接触。

对于量产时间,郭鑫称难度相对较低的物联网碳管芯片,预计三至五年内就可能商用。而应用于手机和服务器上的碳管芯片,则需要更长时间,因为这类芯片需要更先进的工艺制程,更复杂的设计,更高的集成度,以及更高的产能要求。

此外,他还透露,当下国内外厂商中,尽管 IBM 的碳管研究团队已经基本解散,相关研究人员大都去了美国高校,但是英特尔依然有布局。台积电也在默默做碳管研究,只是比较低调。

碳基芯片不能重蹈覆辙

事实上,美国半导体企业,除参与高校研究之外,还承担着类似政府智库的角色。

2017 年,特朗普刚上任,总统科技顾问委员会就发布一份名为《如何确保美国在半导体行业的长期领导地位》的报告。

为写这份报告,时任美国总统科技助理、兼白宫科技政策办公室主任约翰 · 霍尔德伦,邀请英特尔前 CEO、飞思卡尔半导体前董事长、全球晶圆代工巨头格芯前 CEO、高通公司副董事长等,成立领导小组做研究。

他们研究后得出,中国半导体产业的向好发展,已成为 “让美国再次伟大” 的威胁。报告首页直指中国,上面写道:“中国通过产业政策以及高达 1000 亿美元的大基金,正在按照自己的意图有计划地重塑半导体市场,这严重威胁到美国半导体行业的竞争力以及利益相关方。”

最后,该智囊团为美国半导体继续领先世界的目标,定下的策略之一,正是抑制中国创新。报告认为,中国瞄准半导体设计和生产的全球领导地位,并利用国内稳步增长的半导体消费市场放大影响。美国觉得这些影响叠加起来,比任何技术创新的威力都大。

但直到目前,中国半导体行业,仍未实现世界领先。不然华为怎会被美国逼得想尽办法找代工厂,甚至还和韩国芯片代工厂商接洽?

如 2018 年倪光南在 “中兴事件” 后所言:“有些芯片确实跟国外差距很大,通信领域中兴用的很多芯片我们没有,没有是因为过去没重视。”

比如,台积电已经量产 7nm 芯片,中国大陆的中芯国际还在摸索 14nm。尽管大家对中芯国际的国产替代寄予厚望,但前提是他必须跑得快。

跑得慢,就得受美国制裁。为什么美国能制裁中兴和华为?通俗点说就是因为拿人家的手短。

龙芯公司董事长胡伟武,曾比喻称:“过去地主安心收租,农民好好种庄稼;如今农民靠积蓄也买了块地自己种起庄稼,影响了地主家的生意,地主家前些年日子太好过,现在又没了余粮——怎会不想方设法收拾农民?”

2018 年,“中兴事件”发生几天后,军事专家张召忠评论称:“每当我们想创新的时候,美国人总是告诉我们,我这里芯片大大滴有,你们还费那个劲干什么?现在全球经济一体化,都在强调全球产业链分工合作,中国没必要研发芯片。”

这两年,美国一直希望所有被制裁的中国公司,都可以像中兴一样乖乖就范交罚款。

小到手机,大到信息化战争,都有芯片的身影。如果你的手机,有面部解锁功能,那这正是 AI 芯片的功能。

芯片技术是国之重器,光有学术研究,根本抬不动。中国科学院微电子研究所所长叶甜春曾说:“集成电路整个技术从设计到制造,到目前为止是人类历史上最精密的设计、制造加工技术。(打个比方)集成电路是喜马拉雅山,核心芯片是珠穆朗玛峰,需要全世界最高端的技术。”

孙悟空翻个跟头十万八千里,多次从各路妖精手中解救唐僧,但唐僧随便念念经,就能把孙悟空搞得痛不欲生。缺乏核心技术,正是中国半导体行业头上的一道紧箍咒。

2018 年数据显示,每年光在电脑芯片和处理器芯片上,国外就从中国赚走 100 多亿美元。付出如此代价的原因之一,正是因为多数国内厂商,宁肯斥巨资从国外买技术,也不愿和国内学术界一块研发技术。

但要想赶超,还得靠创新,尽管创新会有失败。希望中国在碳基芯片研发上的良好开局,能够在产业化中得以保持,而不是再次经历硅基芯片的教训。

但一味模仿,至多维持不掉队,要想赶超还是得创新,尽管会有失败。其实,中国芯片和创业一样,要有勇气去试,不试就永远落后。

麻省理工科技评论

From Tech to Deeptech