2018年12月19日下午，周三茶座迎来了本学期的最后一期，北京大学信息科学技术学院的彭练矛教授为大家讲述了2020年后的电子学：碳基电子的机遇与挑战。
讲座伊始，彭练矛教授为在座的听众们先科普了信息产业的发展现状和面临挑战：随着晶体管尺寸降低至10纳米以下，工艺的极端复杂导致由尺寸缩减而带来的有效性能提升逐渐趋向饱和——硅基摩尔定律面临发展的尽头。为进一步提升集成电路芯片的性能和效率，发展新型的半导体材料迫在眉睫。国际半导体路线图委员会（ITRS）在考察了所有备选的可能性后，2008年将碳基电子学技术作为唯一有可能取代现有硅基技术的未来技术向业界推荐。IBM公司和斯坦福大学的研发团队的模拟仿真表明：通过平面工艺，碳基集成电路相较于硅基有约15代（30年）的技术优势；通过三维同质集成工艺，碳基三维集成电路具备1000倍的性能和能源利用效率的综合优势。
然后彭教授又深入浅出地为大家介绍了碳纳米管晶体管发展历程以及最新现状：2007年之前碳管晶体管的研发主要由Intel公司、IBM公司和美、欧学术界主导，研发的空穴导电型（p型）晶体管的性能已经超过硅基。然而传统的掺杂工艺无法制备得到性能优于硅基的电子导电型（n型）晶体管，极大地阻碍了碳基集成电路的发展。2007年北京大学彭练矛教授研发团队创造性地采用无掺杂工艺，避免了碳管的结构和性能损失，实现了性能解决理论极限的CMOS晶体管，更为重要的是超越了硅基晶体管。近10年来，北大彭教授研发团队克服科学和技术上的难题，目前已经实现了栅长小于5nm，可与硅基计划的1.5nm技术节点相比的碳纳米管晶体管。该晶体管的每次开关只涉及一个电子的转移，达到了场效应晶体管的物理学极限。团队研发的新原理器件——狄拉克源晶体管，可以实现超越传统场效应管的超低工作能耗。
接下来，在碳基晶体管的基础上，彭教授继续介绍基于碳基晶体管的集成电路。由于碳基晶体管的逻辑形式可以与传统硅基完全兼容，因此可以直接利用现有的硅基成熟技术方案，制备中等规模甚至大规模集成电路。对于碳基集成电路而言，理想的材料是大面积平行排布的碳管阵列，囿于技术发展的局限这种材料预计在2025年才能够大规模获得，目前采用的材料是无序排列的碳管网络。通过研发团队的持续研发，目前已经可以大规模、大批量获得高纯度（>99.999%）的无序碳管网络材料。基于此种材料北京大学研发团队已经实现了碳基8位中央处理器（CPU），演示了完整的逻辑功能，并实现了振荡频率约为5.56GHz的环形振荡电路。中等和大规模碳基电路的成功演示为近期碳基集成电路实用化、产业化和商品化提供了可能性。
在此基础上，彭练矛教授还为大家展示了碳基集成电路的长期发展规划，以三步走的方式进行持续稳定的推进。短期内争取在1微米和90纳米技术节点上实现碳基集成电路芯片的实用化、产业化和商品化，碳基芯片可广泛应用于医疗健康、物联网（IOT）、红外传感和显示驱动等领域。具体而言，彭教授研发团队已经进行探索和演示的有：利用碳管可转移和低温制备的特性，实现超薄柔性碳基集成电路，可作为实时医疗检测的电子皮肤系统；利用碳基电路高性能和超低能耗兼备的特性，在提升性能的基础上，大幅度延长IOT芯片的生命周期，避免了频繁充电或资源浪费，拓展物联网系统的应用场景；利用碳纳米管对短波红外线的吸收特性，实现红外夜视功能，并具有超高的探测效率和线性响应范围；利用碳管高性能和柔性透明的特性，实现比现有氧化物半导体和多晶硅更高性能的柔性显示驱动应用芯片。
最后，彭教授展望了未来碳基集成电路产业的发展方向。现有硅基技术将在2030年内逐渐走到尽头，碳基电子学和碳基集成电路以其蓬勃的生命力展现出无限的可能。2018年5月2日北京大学建校120周年庆典，习近平总书记来到北大考察，积极评价了彭练矛教授团队的工作成绩，并表示“看了你们的成果展示，我为你们感到骄傲。创新是引领发展的第一动力，是国家综合国力和核心竞争力的最关键因素。重大科技创新成果是国之重器、国之利器，必须牢牢掌握在自己手上，必须依靠自力更生、自主创新。”美国国防部国防高级研究计划局（DARPA）2018年7月启动了电子复兴计划（ERI），世界范围内对未来信息产业前沿的争夺开始趋于白热化。ERI计划最大的单项项目就是三维碳基芯片计划，总额度6410万美元（约合4.45亿人民币，占比一期项目21.05%）。项目目标是利用碳纳米管等全新材料，在3.5年时间开发出3D单片集成技术，利用90nm工艺提供7nm芯片能效，并搭建相应EDA模块。未来5-10年将是碳基电子学的重要发展期。彭练矛教授表示，在学校和政府的大力支持下，北京大学碳基电子学团队将联合国内半导体产业的设备商、晶圆厂、设计团队、终端用户和科研院所，致力打造碳基集成电路技术生态链，力争让自主的碳基集成电路技术在中国开花结果。
讲座结束，主持人王恩哥教授向彭教授表示了感谢，并为大家介绍了周三茶座在2019年的规划，希望茶座活动会在新的一年里办得越来越好。
