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星光 | 东大电子科学与工程学院、微电子学院院长孙立涛:借“原子制造”,筑未来电子
2020/10/27 20:09  新华报业网  

  交汇点讯 在未来,显示设备可以薄如纸张,随意折叠、揣进口袋;“制造”不需要物质之间的加工、组合,物质本身的原子可以游动、生长成你需要的形态……日前,记者专访国家杰青、东南大学电子科学与工程学院、微电子学院院长孙立涛,他在采访中畅谈这些并不遥远的“梦幻技术”,也向记者“科普”国家拟设立的集成电路科学与工程这一新学科。集成电路代表着电子信息发展的最前沿方向,资本、创新、人才等要素在这一学科高程度密集。

  建立国家级创新中心

  全力突破高端芯片“卡脖子”问题

  早前的电子科学与技术是以器件制造为主,然而,随着电子信息的不断发展,这门学科以及常提到的“集成电路”早已发展成为一类更为广泛的学科,数学、材料、物理、化学、计算机、自动化、机械等学科都与它相关,这也是为什么国家要设立“集成电路科学与工程”这一新学科的主要原因。“集成电路几乎涉及到生活的方方面面,它是目前很多新技术的支撑底座,大数据、人工智能、5G通讯、物联网、智能制造等新技术都需要通过它来实现。”在采访的一开始,孙立涛就强调,“技术底座”需要长期投入、长期坚持,所有梦幻的技术场景,都需要基础研究铺路。

  在电子信息领域,芯片是“心脏”,是国家的“工业粮食”。孙立涛深有感触的是,市场换技术的道路是走不通的,真正先进的技术是换不来的,换来的往往也是别人那里已经过时的东西,由于基础研发力度不足,长期以来,我国在芯片相关的四大基础支撑方面:设计、材料、制造、表征等都存在不同程度的缺陷和短板。目前,中国的高端芯片仍非常缺乏,绝大部分的高端制造技术、设计、先进材料等都掌握在少数发达国家手中,孙立涛举例谈到,决定芯片制造精度的光刻机、划片后的一级封装机、芯片设计用的EDA软件、高纯的硅、高纯的金属及刻蚀用的酸等都是目前关键的“卡脖子”问题。

  为了解决好高端芯片“卡脖子”问题,中国的高端芯片自主研发已经刻不容缓。“基础研究是整个科学体系的源头,是所有技术问题的总开关。”孙立涛将芯片“反击战”的关键放在技术基础支撑的大平台建设上,通过一系列基础研究的载体平台,逐渐补齐我国芯片链条的短板。结合地方优势产业特点,东大领衔逐步在南京江北新区建设国家级EDA(软件)设计创新中心,在苏州建设下一代材料研究所,在无锡建设纳微系统国际创新中心,逐一攻破我国芯片在设计、材料以及制造方面的瓶颈问题。

  布局下一个十年

  “原子制造”开启轻薄电子时代

  芯片破局,已是箭在弦上。一方面,我们正时不我待地建平台、补短板;另一方面,我们相信,优势是可以创造的,而不是绝对受限于客观条件的。

  “上一个十年,我们失去的,正在全力补救;下一个十年,我们必须做足准备。”孙立涛介绍,面向下一个十年的芯片技术,我国在芯片设计、新型材料、新型器件以及原位表征方法等方面,都“创造”了优势。以芯片设计为例,目前通过“高能效”设计,芯片速度可提升1~2倍,此外,通过二维材料、超材料以及相应的原位原子尺度加工与表征技术等,东大研发出各类面向未来的新型器件。

  未来的电视可以薄如纸张,手机柔性屏可以折叠成手环,随意穿戴在身上……随着基础研究的突破,这类“超现实”场景其实指日可待。未来,不仅电子设备的场景在颠覆,就连“制造”也在被重新定义——制造不再是物质间的加工、组合,物质本身的原子可以游动、生长,按照你的设计,“长”成新样态,而车间将可能被一台仪器替代。

  当前,孙立涛领衔的东大团队正在深耕“原子制造”,他们开辟了一种新的制造方式,在原子分辨的球差校正透射电子显微镜下,通过电、力、热,光等因素,引导原子的迁移,并提出“让器件生长”等全新制造概念。据悉,该项目的相关成果已发表在《自然》等国际期刊上,目前正处在实验探索期,随着相关技术的成熟,将大力推进电子设备向“轻薄”时代迈进,并开启智能制造“新业态”。

  “技术世界没有恩赐,之所以强大,都是因为付出了足够多。”孙立涛认为,当前,底层技术的自主创新,依旧是我国电子信息领域的薄弱环节,只有持之以恒的加强基础研究,“应用端”才能延展出更多可能性。

  乐观是被“低估”的科研品质

  兴趣、主动性以及乐观,这是孙立涛科研育人尤为看重的三个方面。相对而言,比较令人好奇的是“乐观”,这为什么值得被强调?“乐观是被低估的品质,尤其对科研人来说,观察、试错是常态,高光时刻难得,再伟大的科学家一生也仅有过几次‘突破’,大部分是与失败相伴。”孙立涛说,如果没有“乐观”的态度,很多科研人会在郁郁不得志中选择停滞、或者放弃。

  “失败”也是科研的一部分,它不是毫无意义,它甚至就是科学本身,更可以让其他人避开歧途,尽早找到破题路径,或者启发新的发现。“‘功成不必在我’,这样的价值观同样适用于科学研究,更多科研人有这样的心态,那么中国的科技发展就会更有希望。”孙立涛对学生的要求一贯“宽松”,他不盯进度,但看重科研诚信:论文可以慢一点,但数据必须真实;实验可以失败,但不能随意放弃。

  事实证明,孙立涛的“柔性”育人方式,反而可以促进更多创新。“科学的世界,只有真理,没有权威。”得益于导师营造的“宽松”科研氛围,他的学生孙俊敢闯敢试。在孙立涛的指导下,孙俊与中科院微电子所合作,通过TEM实时监测RRAM存储器件在电学激励过程中的结构变化,成功获得了导电细丝生长和破灭的动态过程。该研究被认为是“本领域的重要发现”,对于深入理解氧化物固态电解质类型的RRAM的阻变存储微观机制提供了坚实的实验基础,被国际权威学术期刊《先进材料》(AdvancedMaterials)选为封面文章予以发表。

  由于实验观测结果与经典理论预测的导电细丝生长过程完全相反,来自德国的经典理论创立者当即撰文质疑,孙俊等人经过一年的周密准备和后续实验,回复了质疑,不仅让“学术大牛”不得不承认了他们的成果,而且获得了学界的广泛关注和认可。目前,该理论模型已经得到了学术界的公认,论文被引次数超过200次。

  科研不只是面对卷帙浩繁的文献挑灯夜读,也不只是对海量实验数据的条分缕析,更是有趣优美的体验…….孙立涛始终提倡“快乐科研”,以兴趣为动力,充分挖掘科研的自主性,才能走得更远、更扎实,“科研是一份兴趣+许多快乐。”

  交汇点记者 王梦然

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责编:顾志铭

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