以半导体晶体管器件和集成电路技术为代表的微电子产业推动人类进入了信息时代。一方面，随着微电子工艺全面进入纳米尺度，传统硅技术逐渐趋近于其物理极限；另一方面，快速兴起的纳米科学已经不仅仅限于基础研究，且不断向功能器件和系统研究方向拓展，新型的纳米运算器、存储器、量子信息器件、分子仿生技术以及集成系统SoC(System on Chips)等不断涌现，国际上争夺未来纳电子、纳信息核心技术和知识产权的竞争日益激烈。如何将纳米科技研究、微电子技术和芯片系统设计集成研究相结合，研究和取得系列突破性的创新成果，为我国在纳电子和纳信息时代积累一批自主知识产权的关键核心技术，具有深远的战略意义。

 

香山科学会议于近日召开了主题为“纳信息功能器件系统的关键科学问题和发展趋势”的第317次学术讨论会，清华大学物理系薛其坤教授、范守善教授和南京航空航天大学郭万林教授担任会议执行主席，来自全国的30多位计算机、微电子、纳器件和纳电子、以及芯片设计和系统集成等领域的专家学者参加了会议。北京大学张兴教授、中科院计算所胡伟武研究员和李国杰教授、南京航空航天大学郭万林教授分别以“微纳技术结合，发展新一代纳米尺度硅集成电路器件与工艺技术”，“纳米级工艺对微处理器设计的挑战与机遇”和“纳信息功能器件系统的关键科学问题和发展趋势”为题作了会议主题评述报告。

 

张兴教授指出，微电子技术是现代信息社会的基石，中国已经成为集成电路的第一消费大国，但具有自主知识产权的关键核心技术的缺乏制约着我国微电子科学和产业的发展。目前，随着集成电路技术深入到纳米尺度，日益逼近的硅基集成电路的理论和技术双重极限挑战将使微纳电子技术从高速发展进入稳定发展的转型期。同时，纳电子器件基础研究的突破将会孕育一系列重大的创新机遇，纳技术和微电子技术的融合成为创新的一个重要方向。胡伟武研究员从其设计研制“龙芯”多代芯片的经历和感受指出：半导体工艺技术和计算机系统设计技术一直以来是互为动力、互相促进发展的，但随着集成电路制造技术进入纳米级，国际上高性能通用CPU的发展正面临技术转型期，我们应该紧紧抓住这一机遇，加大研发和产业化力度，实现跨越式发展；纳米技术最有市场前景的是纳电子技术和以纳电子为基础的纳信息技术，而我国纳米技术研究目前主要偏重在纳米材料方面，今后应加强纳信息功能器件的研究，特别是要从技术和实现的角度重视基础研究和系统实现的结合部，以集成创新占领未来信息社会核心技术的制高点。李国杰教授重点强调了纳米科技需要集成创新，材料、器件和系统集成技术要统一协调发展，器件研究要与系统集成相协调，新技术的研发从开始就要注重成本问题和集成系统的功耗问题。郭万林教授综合评述了国内外纳电子器件和新原理的纳功能器件的最新进展，指出硅基微电子技术正在向与新的、目前尚不明确核心技术的纳信息技术共同发展的方向转型，这是我国信息技术和产业后来居上的重要机遇。基于纳尺度各种显著的物理效应和多场耦合原理，开展低维纳功能器件的新原理、新性能、新架构的深入系统的研究，具有重大科学与现实意义。这类纳信息功能器件与硅芯片技术相融合的设计、工艺和技术将是需要突破的重大问题。随着纳米科学技术研究的重点向功能化器件系统方向发展，如何加强以产业发展为背景的研究，特别是加强微纳电子、芯片设计制造业与纳米科技基础研究的结合，加强微纳硅工艺与新的纳米技术的结合，加强高水平科学研究发现与关键技术创新的结合，是我国纳米科学技术发展的重要问题。

 

 

硅基CMOS晶体管器件是信息技术最核心的元件，以其构成的基本逻辑运算单元是计算机系统设计的基础。缩小器件尺度以提高计算能力和得到海量的存储能力是晶体管技术发展一直的追求，也是40多年以来半导体工业一直秉持摩尔定律的体现。器件尺寸进入到纳米尺度以后，高度集成的半导体器件面临许多严峻的挑战，如功耗密度、互连延迟、设计复杂性、光刻工艺极限以及经济成本限制等。

 

与会专家认为，硅工艺遭遇困难和未来发展减缓并不意味着硅工艺的终结，而是表明其将渡过快速成长期而进入稳定发展期。我国目前多代微电子产品都有广阔的应用市场，其发展不能片面追随摩尔定律，而要注重应用拓展、专用芯片设计、系统集成这些更有发展潜力的方向，特别是和纳功能器件研究的结合互补。

 

 

纳米技术发展带来的新的材料体系、新的器件结构会在传统硅基CMOS器件上实现创新和突破，推动硅基纳电子技术继续向前发展。同时，硅基微电子技术几十年发展积累下的理论和经验是当前纳信息功能器件发展借鉴的主要来源，微电子高度发达的微纳加工手段也是实现纳器件功能的保证。通过自组装生长得到的各种纳米材料，再通过光刻等微加工技术构造实现器件，从而研究和验证设计的功能，这是目前纳信息器件的主要研究方式之一。由于纳米技术和CMOS的混合技术可能最先进入实用，纳功能器件与硅技术和逻辑电路的融合一体化发展是近期最重要的发展目标。

 

与会专家认为，纳功能器件和微电子技术的相互渗透融合是一个自然的发展趋向。我国应在纳信息功能器件领域加大研发投入，鼓励集体合作和集成创新，将微电子领域、纳米材料和器件、芯片设计和系统集成领域的研究人才组织起来，互相协作，集中攻关，融合新材料体系、新器件结构、新加工工艺于一体，实现“硬件”和“软件”的高度集成，在新型纳信息功能器件上实现颠覆性创新。

 

 

电子学的发展经过真空管为代表的真空电子学、以晶体管为代表的微电子学之后，正进行第二次转变，即进入到纳电子学和分子电子学的时代，这期间是微电子技术的继续，也是更有生命力的、全新的纳电子信息技术的关键孕育期。专家们指出，微电子技术几十年的指数式发展建立在4个基础之上：基本材料是硅体系，基本器件结构是CMOS晶体管，基本工艺是光刻为代表的微加工工艺，基本理论是固体物理和半导体理论。而纳电子的发展尚处于起步阶段，这些问题都没有明确答案，必须从基础物理理论、基本器件结构和工作原理，乃至基本技术方法进行革命性的变革，这正是机会和挑战所在。

 

与会专家认为，现在我国整体上纳电子和分子电子学器件研究还很薄弱，以追随性研究为主；发展前沿性、创新性的纳功能结构和纳信息器件研究是未来的重点。只有凝聚国内外各个相关领域的专家，全面推动跨学科、跨专业、跨领域的深入实质合作，促进我国纳信息器件创新能力和实现技术的全面提升，才能在未来的信息产业和国防竞争中处于领先地位。

 

 

利用新原理来开发新一代的电子器件已经成为微电子技术深入纳尺度后的发展趋势。在纳尺度，材料的物理性质和功能将由几个与尺度效应、边界效应、量子效应相关的特征物理尺度来决定，材料的电子结构、输运、磁、光、热力学、机械性能均发生明显变化。探索利用纳尺度下的多场耦合机制，开发基于新物理原理的器件成为纳信息功能器件发展的必然方向。利用纳尺度机电耦合原理，已经报道了很多原型器件，提出了新的纳开关、纳驱动、纳机电、纳光电、纳存储、纳传感以及超导器件的原理。各类新型纳信息功能器件发展，在器件性能、能耗等问题上已经有了巨大的突破，我国的先进实验室也正开展着国际最前沿的纳器件原理研究，并已取得了很多成果。

 

与会专家指出，目前微电子技术面临的最大挑战不仅仅是增加晶体管的数量，同样重要的是扩展每个器件的功能，特别是通过集成各种技术来实现。与会专家强调，在新的纳信息功能器件原理、逻辑结构和集成技术的创新上，需要纳器件和纳电子领域、微电子领域、芯片设计和系统集成领域的科研工作者互相交流，优势互补，集成创新，实现在纳信息功能器件研究上的原始创新。

 

在充分交流与讨论的基础上，会议取得了以下共识：

 

1. 微纳硅工艺将继续主导，纳信息功能器件须与之融合互补，协调发展

 

微纳硅技术的高度发展，使在相当长时期内，硅技术仍将主导信息技术产业和市场。有价值的纳器件研究应该能解决硅工艺存在的问题或与之互补。沿用硅器件结构和原理的纳米器件，需要在性能能量效率、工艺成本或功能性上有明显优势，并能与硅技术集成和融合。

 

2. 结合实际，不一味追随摩尔定律

 

我国微电子技术落后两代产品，而且关键生产技术和设计软件依赖引进，因此不能一味追寻摩尔定律，发展要注重两个方面：一是各代产品都有应用领域，发展专用芯片技术具有广阔前景（仿生、传感、专业芯片等）；二是主流芯片继续向前发展需要以性能能量效率为发展方向，系统集成潜力很大。

 

3.纳米信息功能器件是纳米科技的重要发展方向

 

近年来，我国纳米基础研究的质量提高快、学术影响增强，高水平的基础研究成果不断涌现，这样的积累是必要的，也是创新必需的基础。但是，作为纳米技术最重要的应用方向，纳信息功能器件的研究力度还很小，原始创新研究十分缺乏，跟随研究居多，器件和后期研究的国际差距已经在拉大，应该引起高度重视。我国信息器件系统发展不能盲目跟从，应保持清醒认识，注重新材料体系、新器件原理、新功能实现的创新，开拓自己的发展道路。

 

4.纳信息功能器件研究应注重多学科协作和基础仪器研发

 

纳信息器件研究需要纳米、电子、器件、系统设计等多学科综合发展，多领域研究者相互支撑、相互融合。特别要重视具体技术的开发，现代科学的原创性研究对精密仪器设备十分依赖，高水平仪器、方法、技术能力是高水平原始创新的关键之一。我国先进的制备、表征、测量等设备主要依靠进口，必须推动我国具有自主知识产权的国际领先的实验设备和高精密度、高灵敏度的表征仪器的发展。

 

就我国该领域的发展问题，与会专家提出了重要建议：

 

1. 凝聚纳信息功能器件、微电子技术和系统设计等不同研究领域的专家组成团队，在国家层次上组织“纳信息功能器件系统”的重大研究项目，并给予长期支持，保证团队长期稳定发展。特别是加大对我国原创性纳器件的扶持和支持，鼓励多学科交叉。

 

2.发展国际领先的实验平台和高灵敏度、高精密度的表征和测量仪器，以国际领先的实验仪器，推动纳信息功能器件的创新性研究。

 

3. 在科研评价体系上，建立科研体系集成创新能力的评价体系，提供优秀人才的原始创新和集成创新的环境。