全球兩大頂級碳基晶片團隊已低調開啟另一場「晶片競速賽」|專訪

「就算不能全面領先世界，起碼可以擁有籌碼。這樣別人卡我們，我們也可以卡別人。」

正參與中國碳基晶片研究的郭鑫（化名），對中國有望彎道超車的碳管晶片研究，做出上述分析。

過去，中國晶片更像是「在別人的牆基上砌房子」，如今有望在自家院子壘牆。北京大學電子學系彭練矛院士，耗二十年之力，終於在碳管研究上實現重大突破。

2020 年，彭練矛和團隊、發展出全新的提純和自組裝方法，並使用該方法製備出高密度、高純半導體陣列的碳納米管材料，在此基礎上還首次實現性能超越同等柵長矽基 CMOS 技術的電晶體和電路（CMOS，互補式金氧半導體）。

彭練矛的另一個身份，是北京碳基集成電路研究院院長。該研究院由北京市科委和北京大學共建。據他透露，研究院獲得了北京市科委的支持。

此外，科技部納米專項，給予北大碳基團隊共計 20 年的大項目，並提供資金支持 9000 萬元左右；國家自然科學基金，則提供 6 年共計 1000 萬元的資金支持。

國家科技主管部門，為何對此項目寄予厚望？當前，電晶體主要用矽做成，尋找矽的替代品，是學術界應對摩爾定律 「失效」 的當務之急。早在 2004 年，全球學術界就發現，用碳做的電晶體，可以代替矽電晶體。

然而，近日麻省理工學院（以下稱 MIT）的一項研究成果，必將給中國的研究帶來競爭。

6 月 1 日，該校的電氣工程與計算機科學系助理教授馬克斯·舒拉克（Max M. Shulaker），帶領團隊在《自然·電子學》雜誌發表了題為《在商用矽製造設施中製造碳納米管場效應電晶體》（Fabrication of carbon nanotube field-effect transistors in commercial silicon manufacturing facilities）的論文。

圖 | MIT 助理教授馬克斯 · 舒拉克（來源：Stanford ENGINEERING）

舒拉克團隊改進了一種將襯底浸沒在納米管溶液的沉積技術，從而讓工業設備製造碳管成為可能。他們表示，這將促進碳管儘快應用到商業中。

圖 | MIT 團隊展示論文成果

同樣研究該技術的彭練矛告訴 DeepTech，這篇文章並不新鮮，只不過展示了製備薄膜的細節。但意義比較重大的地方在於，這些工作是在商業矽基線上做的，它的確代表碳納米管集成電路，將會很快進入公眾視野。

圖 | MIT 團隊近日在《自然·電子學》發表的論文

不過彭練矛表示，目前 MIT 團隊的薄膜還是無序的，所以就算可以製備出來，性能未必很好。

從經驗上來看，彭練矛團隊的能力，也完全可以和舒克拉團隊抗衡。相比舒克拉這位 90 後，彭練矛研究經驗更多，論文發表量也遠超前者，其團隊已在《科學》發表三篇論文，在《自然》子刊也發表過多篇論文。

並且他還在牛津大學工作過，國際化方面完全不是問題。但 MIT 論文的一個細節，讓人「細思極恐」。

彭練矛團隊獲得了政府研究資金的大力支持，而 MIT 團隊的研究，除了有美國國防高級研究計劃局三維晶片系統計劃和美國空軍研究實驗室的官方支持外，還有 ADI 和 SkyWater 這樣的半導體公司支持。

圖 | MIT 的研究有半導體公司 ADI 和 SkyWater 的支持

來自企業的支持，正是彭練矛團隊當前急需的。他表示，中國企業並沒有出大錢，也沒有像美國企業這樣深度參與。

中國決策層常講，「扶上馬送一程」。但是，送上路後，真正被企業所用，才能體現研究成果的價值。

「他們卡我們，我們也可以卡對方」

前文的郭鑫，曾去史丹福大學交流，當時他和舒拉克在一個課題組。他告訴 DeepTech，舒拉克從史丹福大學讀博期間，就已開始研究碳管。

舒拉克當時所在的斯坦福團隊的主要領導者之一，是目前任職臺積電首席科學家的黃漢森，化學團隊則由柔性電子領域先驅、史丹福大學化學工程系主任兼教授鮑哲南擔綱。

後來，舒拉克從斯坦福畢業、並在發表幾篇論文後，來到 MIT 成為助理教授、繼續開展碳管研究。

MIT 團隊通過和美國其他高校以及公司合作，在 PDK 和 EDA 工具開發、系統設計、工藝工程化等方面更具優勢，各方面比較均衡。

相比舒拉克團隊，北大彭練矛團隊在碳基集成電路技術的基礎- 高性能碳基電晶體和高質量碳納米管材料方面，具有領先優勢，一些成果已經做到世界最佳。

可以說，當前全球碳管晶片研究做得最好的，正是 MIT 舒克拉團隊和北大彭練矛團隊。但讓彭練矛擔心的是，企業合作是目前最大的短板。

而美國公司和高校之間交流和流動性較好，美國公司普遍願意給高校投錢做項目，並會提出明確目標，讓高校定期匯報進度。

目前，國內公司更願意在研究方案成熟時，來和高校合作。例如在通信領域，企業和高校的合作就較多。因為這一般不涉及 「卡脖子」 的硬科技技術，通過改進算法或模型，就能出產品。

而帶有不確定性的合作，一般短期內很難給公司帶來盈利，長期來看也存在一定的風險，一般的公司也就沒有給高校投錢的動力。處在行業引領地位的公司，例如華為，會更關注基礎研發這部分，目前已和彭練矛團隊接觸。

對於量產時間，郭鑫稱難度相對較低的物聯網碳管晶片，預計三至五年內就可能商用。而應用於手機和伺服器上的碳管晶片，則需要更長時間，因為這類晶片需要更先進的工藝製程，更複雜的設計，更高的集成度，以及更高的產能要求。

此外，他還透露，當下國內外廠商中，儘管 IBM 的碳管研究團隊已經基本解散，相關研究人員大都去了美國高校，但是英特爾依然有布局。臺積電也在默默做碳管研究，只是比較低調。

碳基晶片不能重蹈覆轍

事實上，美國半導體企業，除參與高校研究之外，還承擔著類似政府智庫的角色。

2017 年，川普剛上任，總統科技顧問委員會就發布一份名為《如何確保美國在半導體行業的長期領導地位》的報告。

為寫這份報告，時任美國總統科技助理、兼白宮科技政策辦公室主任約翰 · 霍爾德倫，邀請英特爾前 CEO、飛思卡爾半導體前董事長、全球晶圓代工巨頭格芯前 CEO、高通公司副董事長等，成立領導小組做研究。

他們研究後得出，中國半導體產業的向好發展，已成為 「讓美國再次偉大」 的威脅。報告首頁直指中國，上面寫道：「中國通過產業政策以及高達 1000 億美元的大基金，正在按照自己的意圖有計劃地重塑半導體市場，這嚴重威脅到美國半導體行業的競爭力以及利益相關方。」

最後，該智囊團為美國半導體繼續領先世界的目標，定下的策略之一，正是抑制中國創新。報告認為，中國瞄準半導體設計和生產的全球領導地位，並利用國內穩步增長的半導體消費市場放大影響。美國覺得這些影響疊加起來，比任何技術創新的威力都大。

但直到目前，中國半導體行業，仍未實現世界領先。不然華為怎會被美國逼得想盡辦法找代工廠，甚至還和韓國晶片代工廠商接洽？

如 2018 年倪光南在 「中興事件」 後所言：「有些晶片確實跟國外差距很大，通信領域中興用的很多晶片我們沒有，沒有是因為過去沒重視。」

比如，臺積電已經量產 7nm 晶片，中國大陸的中芯國際還在摸索 14nm。儘管大家對中芯國際的國產替代寄予厚望，但前提是他必須跑得快。

跑得慢，就得受美國制裁。為什麼美國能制裁中興和華為？通俗點說就是因為拿人家的手短。

龍芯公司董事長胡偉武，曾比喻稱：「過去地主安心收租，農民好好種莊稼；如今農民靠積蓄也買了塊地自己種起莊稼，影響了地主家的生意，地主家前些年日子太好過，現在又沒了餘糧——怎會不想方設法收拾農民？」

2018 年，「中興事件」發生幾天後，軍事專家張召忠評論稱：「每當我們想創新的時候，美國人總是告訴我們，我這裡晶片大大滴有，你們還費那個勁幹什麼？現在全球經濟一體化，都在強調全球產業鏈分工合作，中國沒必要研發晶片。」

這兩年，美國一直希望所有被制裁的中國公司，都可以像中興一樣乖乖就範交罰款。

小到手機，大到信息化戰爭，都有晶片的身影。如果你的手機，有面部解鎖功能，那這正是 AI 晶片的功能。

晶片技術是國之重器，光有學術研究，根本抬不動。中國科學院微電子研究所所長葉甜春曾說：「集成電路整個技術從設計到製造，到目前為止是人類歷史上最精密的設計、製造加工技術。（打個比方）集成電路是喜馬拉雅山，核心晶片是珠穆朗瑪峰，需要全世界最高端的技術。」

孫悟空翻個跟頭十萬八千裡，多次從各路妖精手中解救唐僧，但唐僧隨便念念經，就能把孫悟空搞得痛不欲生。缺乏核心技術，正是中國半導體行業頭上的一道緊箍咒。

2018 年數據顯示，每年光在電腦晶片和處理器晶片上，國外就從中國賺走 100 多億美元。付出如此代價的原因之一，正是因為多數國內廠商，寧肯斥巨資從國外買技術，也不願和國內學術界一塊研發技術。

但要想趕超，還得靠創新，儘管創新會有失敗。希望中國在碳基晶片研發上的良好開局，能夠在產業化中得以保持，而不是再次經歷矽基晶片的教訓。

但一味模仿，至多維持不掉隊，要想趕超還是得創新，儘管會有失敗。其實，中國晶片和創業一樣，要有勇氣去試，不試就永遠落後。