衛(wèi)婷婷

當(dāng)前智能手機(jī)、電腦等電子設(shè)備已成為人們生活中不可或缺的一部分，更高的運(yùn)行速度、更加持久的電量一直是用戶追求的目標(biāo)。然而優(yōu)化這兩項(xiàng)性能，離不開集成電路研究領(lǐng)域的技術(shù)突破。為打破傳統(tǒng)硅基芯片發(fā)展面臨的物理瓶頸，科學(xué)家們近年來開始研究替代硅基芯片的新型材料與新器件。

清華大學(xué)集成電路學(xué)院副教授唐建石近年來緊密圍繞著碳基電子學(xué)與類腦計(jì)算等研究方向開展與芯片相關(guān)的研究。芯之所向，行之所往。讓我國自主研發(fā)的芯片在節(jié)能的前提下計(jì)算速度更快、效率更高，是他長期追求的目標(biāo)。

唐建石

基礎(chǔ)科研：獨(dú)行于思想苦旅中

唐建石出生在湖南省的一個(gè)小縣城，家境不富裕的他深信知識改變命運(yùn)的道理，只能憑借自身的努力才能見識到更廣闊的新天地。天道酬勤，2004年，唐建石以全省前十名的成績考進(jìn)清華大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。在大學(xué)期間，唐建石依然勤奮刻苦，求學(xué)好問。由于上大學(xué)之前幾乎沒有接觸過電腦，他在大一期間學(xué)習(xí)C語言編程、工程制圖等課程時(shí)，遲遲不能進(jìn)入狀態(tài)。但他及時(shí)調(diào)整自己的心態(tài)，把自己泡在計(jì)算機(jī)機(jī)房和自習(xí)室里，一點(diǎn)點(diǎn)去復(fù)現(xiàn)教材里每一段程序，繪制每一幅視圖。苦心人天不負(fù)，在經(jīng)過一番廢寢忘食的奮力拼搏之后，他逐漸領(lǐng)悟了大學(xué)學(xué)習(xí)的訣竅，并在學(xué)期末取得優(yōu)異的成績?？邕^這道溝壑，經(jīng)過更深入的專業(yè)課學(xué)習(xí)，唐建石對微電子專業(yè)興趣漸濃。對于大學(xué)時(shí)期的他而言，興趣是試金石一般的存在。興趣屢屢向他發(fā)問：“困難擋在面前，你是否心誠志堅(jiān)？”答案是肯定的，唐建石在學(xué)業(yè)上始終保有一顆恒心，意志彌堅(jiān)。在意識到我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)與研究跟國外的巨大差距之后，他萌生了“想出國去看看”的念頭。經(jīng)過班主任鄧寧教授和導(dǎo)師余志平教授的大力推薦，他決定前往美國加州大學(xué)洛杉磯分校電子工程專業(yè)攻讀博士學(xué)位，師從納電子學(xué)領(lǐng)域的泰斗王康隆教授。

大學(xué)畢業(yè)來到美國，站在新的起點(diǎn)上，唐建石面臨更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。他既要融入當(dāng)?shù)氐恼Z言和社交環(huán)境，“逼迫”自己盡快適應(yīng)異國他鄉(xiāng)的生活，又要盡快選擇科研方向。導(dǎo)師給了唐建石自由探索的空間，讓他不疾不徐地尋找著自己感興趣的領(lǐng)域。最終他瞄準(zhǔn)了微電子學(xué)專業(yè)的分支之一：“自旋電子學(xué)”，著手研究低維納米材料獨(dú)特的自旋輸運(yùn)特性，進(jìn)一步開發(fā)低功耗的自旋邏輯器件。博士畢業(yè)之后，唐建石面臨職業(yè)生涯的重大選擇，擺在他面前的是兩條路：一是進(jìn)入企業(yè)工作，二是去學(xué)術(shù)界深造。何去何從？正當(dāng)他舉棋不定之時(shí)，IBM Watson研究中心（以下簡稱“IBM”）向他拋出了橄欖枝。

2015年，唐建石進(jìn)入IBM從事博士后研究。在頂尖半導(dǎo)體企業(yè)中做前沿技術(shù)研究，讓唐建石得以直面企業(yè)的瓶頸問題，他的研究方向也隨之轉(zhuǎn)變。在此期間唐建石主要圍繞碳納米管電子學(xué)開展研究。碳納米管被譽(yù)為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的“明日之子”，相比于主流硅材料，它是一種具有原子級厚度的新型納米材料，在制備高性能晶體管方面具有超高遷移率、超薄溝道，以及更低工作電壓等優(yōu)勢。唐建石在IBM的主要工作是基于碳納米管代替硅來設(shè)計(jì)高速、低功耗的邏輯電路，并進(jìn)一步開發(fā)高性能柔性集成電路。

在國外學(xué)習(xí)工作多年，唐建石始終保有一個(gè)純粹的科研理想，愿在科研之路上當(dāng)一名苦行僧，沿途收獲一步步接近夢想的喜悅。他在美國不斷汲取知識，增長理論見識，提升研究能力，迅速成長為芯片研發(fā)行業(yè)內(nèi)的知名青年學(xué)者。在IBM工作4年，唐建石領(lǐng)悟到不能將科研成果束之高閣。因此，在關(guān)注到國際方面的產(chǎn)業(yè)需求之后，唐建石試問自己：能不能發(fā)揮專業(yè)所長，為中國芯片研發(fā)積累一些原創(chuàng)性的技術(shù)？“我要做跟國家長期發(fā)展規(guī)劃相契合的研究，為科研成果轉(zhuǎn)化和應(yīng)用做一些實(shí)實(shí)在在的事情。”這個(gè)念頭在他的腦海里呼之欲出，也牽引他踏上了歸途。

成果應(yīng)用：凡心所向 素履以往

像是結(jié)束了一程修行，2019年年初，唐建石回到了母校清華大學(xué)和自己昔日的恩師們做起了同事。重歸夢想開始的地方，他也迅速開啟了新的人生篇章。面對科研，他與團(tuán)隊(duì)成員一起認(rèn)認(rèn)真真“做夢”，踏踏實(shí)實(shí)做事，是夢想家，又是實(shí)干家。他目前致力于研究新型存儲(chǔ)器與類腦計(jì)算，受大腦啟發(fā)探索新的計(jì)算范式，利用阻變存儲(chǔ)器（又稱憶阻器）將存儲(chǔ)與計(jì)算融為一體，開發(fā)新一代智能芯片，減少運(yùn)算過程中的數(shù)據(jù)搬移，提高運(yùn)算速度的同時(shí)降低能耗。

相比于傳統(tǒng)數(shù)字存儲(chǔ)的應(yīng)用，存算一體化的應(yīng)用對新型存儲(chǔ)器的性能要求也更高。為突破這一技術(shù)難題，唐建石申請了國家自然科學(xué)基金委“后摩爾時(shí)代新器件基礎(chǔ)研究”重大研究計(jì)劃的培育項(xiàng)目“基于鈣鐵石氧化物相變的模擬型阻變存儲(chǔ)器件研究”，面向傳統(tǒng)憶阻器中氧空位分布和遷移的隨機(jī)性導(dǎo)致器件一致性差等問題，開展新原理的憶阻器件基礎(chǔ)研究。

研究中，唐建石及其團(tuán)隊(duì)選擇具有原子有序的氧空位通道的鈣鐵石氧化物作為關(guān)鍵的阻變層，采用脈沖激光沉積方法外延生長高質(zhì)量薄膜，通過選擇晶相的手段來控制氧空位通道的排布和方向，并使用電場調(diào)控材料中離子的有序遷移，使其發(fā)生結(jié)構(gòu)可逆相變時(shí)實(shí)現(xiàn)不同阻態(tài)的翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而制備高性能的模擬型阻變存儲(chǔ)器，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真，該工作也于近期發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上。他們提出的器件設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，有望為未來類腦計(jì)算與存算一體應(yīng)用提供良好的器件基礎(chǔ)。

在國內(nèi)，芯片產(chǎn)業(yè)逐漸發(fā)展成為熱門產(chǎn)業(yè)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)室和初創(chuàng)公司亦如雨后春筍般搭建起來，對標(biāo)IBM的科研團(tuán)隊(duì)，唐建石說：“國外高校的團(tuán)隊(duì)規(guī)模一般比較小，適合將科研對準(zhǔn)某一領(lǐng)域精耕細(xì)作，而國內(nèi)的團(tuán)隊(duì)規(guī)模更大，每個(gè)科研工作者的專業(yè)背景優(yōu)勢互補(bǔ)，在許多需要廣度覆蓋的研究上可以形成合力。比如我們團(tuán)隊(duì)中有人研究材料和機(jī)理，有人研究器件和工藝，還有人研究電路設(shè)計(jì)和算法等。團(tuán)隊(duì)科研覆蓋面廣，所以我們希望能夠把一些關(guān)鍵技術(shù)從基礎(chǔ)研究、科研創(chuàng)新往應(yīng)用方面去推動(dòng)?！?/p>

憑借此前在IBM的工作經(jīng)驗(yàn)，唐建石回國后也注重與國內(nèi)的龍頭企業(yè)合作。為實(shí)現(xiàn)將原創(chuàng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)需求接軌的多年夙愿，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)加入了“騰訊犀牛鳥專項(xiàng)研究計(jì)劃”。目前團(tuán)隊(duì)正在跟騰訊機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室合作，將前沿技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)中去，以智能傳感為出發(fā)點(diǎn)，為機(jī)器人仿生觸覺傳感技術(shù)提供支持，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高靈敏度壓力傳感器已被應(yīng)用到騰訊多個(gè)產(chǎn)品項(xiàng)目中。從實(shí)驗(yàn)室提供的機(jī)器狗步態(tài)檢測結(jié)果的反饋來看，其傳感器效果穩(wěn)定，比市面上許多產(chǎn)品更好用。“將來，機(jī)器人的傳感技術(shù)與人工智能或許可以碰撞出火花?！碧平ㄊN首以盼。

唐建石（中）和學(xué)生合影

課程改革：描繪產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)圖

除了以科研項(xiàng)目為契機(jī)讓學(xué)生近距離接觸前沿科學(xué)創(chuàng)新與企業(yè)的應(yīng)用需求，如今身為清華大學(xué)集成電路學(xué)院的博士生導(dǎo)師，唐建石秉承著持續(xù)創(chuàng)新的教育理念，以應(yīng)用為尺推進(jìn)課程改革，為學(xué)生描繪集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路的新藍(lán)圖。

除了詳細(xì)講授歷久彌新的基本原理，唐建石還鼓勵(lì)學(xué)生更多去了解整個(gè)行業(yè)發(fā)展趨勢與前沿技術(shù)。在與吳華強(qiáng)教授一起設(shè)計(jì)的先進(jìn)微電子工藝實(shí)踐課程中，他們不僅邀請行業(yè)內(nèi)的專家給學(xué)生講解最前沿的技術(shù)發(fā)展趨勢，還帶領(lǐng)學(xué)生到中芯國際等龍頭企業(yè)參觀產(chǎn)線及芯片制造的先進(jìn)工藝流程。

紙上得來終覺淺，須知此事要躬行。展望未來，唐建石渴望繼續(xù)立足產(chǎn)業(yè)發(fā)展，不斷啟蒙學(xué)生的思想，從應(yīng)用出發(fā)，幫助學(xué)生更深刻地認(rèn)識微電子工藝中更新迭代的各項(xiàng)技術(shù)?！皩W(xué)生如果對集成電路感興趣，他們畢業(yè)之后也會(huì)從事這方面的工作。而將課堂和產(chǎn)業(yè)掛鉤，是希望能夠給國家，給這個(gè)行業(yè)培養(yǎng)更優(yōu)秀的人才?！碑?dāng)越來越多的有志之士涌入立足國家戰(zhàn)略需求的芯片熱潮中，唐建石和他的學(xué)生們已經(jīng)做好了一同奮勇搏擊、開創(chuàng)未來的準(zhǔn)備。