緣起物理 夢(mèng)圓清華

李剛

2018年7月，中興事件塵埃落定。中興公司最終以向美國(guó)繳納14億美元的巨額罰款，并更換全部董事會(huì)成員等作為代價(jià)，使美國(guó)商務(wù)部取消了近3個(gè)月來(lái)禁止美國(guó)供應(yīng)商與中興進(jìn)行商業(yè)往來(lái)的禁令。這不僅僅是一次商業(yè)事件，這次事件更為中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)界敲響了警鐘。

70多年前，晶體管的發(fā)明拉開(kāi)了人類社會(huì)信息化的帷幕。如今，微電子技術(shù)已滲透到人類社會(huì)的各個(gè)方面，成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的標(biāo)志之一。能否把核心技術(shù)牢牢握在自己手中，不僅事關(guān)產(chǎn)業(yè)命運(yùn)，更關(guān)系到國(guó)家穩(wěn)定發(fā)展。

擁有自己的核心技術(shù)，這是諸多微電子技術(shù)研究者的愿望與使命，清華大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“清華”）微電子學(xué)研究所副教授張進(jìn)宇，也是這條使命道路上的一名行者。10多年來(lái)，他浸身于新材料新工藝、納米尺寸器件模型及新型儲(chǔ)存器等研究，洞幽察微，運(yùn)用原子級(jí)及量子力學(xué)第一性原理的模擬方法，去甄別適合于做成微電子納米級(jí)器件的材料，與清華微電子學(xué)研究所的伙伴們默默地為中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)著自己的一份力量。

興趣驅(qū)動(dòng) 初探研究

人生總有很多機(jī)緣，每一次選擇都有可能改變命運(yùn)輪盤(pán)的方向。年少時(shí)成績(jī)并不突出的張進(jìn)宇不會(huì)想到，有一天他會(huì)進(jìn)入清華大學(xué)，在這里學(xué)習(xí)成長(zhǎng)，并把事業(yè)的種子播種在這片熱土上。

每當(dāng)回憶起年幼時(shí)的自己，謙遜的張進(jìn)宇總是用“普通”來(lái)形容。因父母工作調(diào)動(dòng)的緣故，張進(jìn)宇很小就來(lái)到北京學(xué)習(xí)和生活。小學(xué)、初中讀的都是普通學(xué)校，一直沒(méi)有亮眼成績(jī)的他，卻在后來(lái)展現(xiàn)出對(duì)物理和數(shù)學(xué)的興趣和天賦，這也使他以優(yōu)異成績(jī)考入北京市重點(diǎn)高中，之后更為他開(kāi)啟了前往清華大學(xué)物理系的求學(xué)生涯。

“天行健，君子以自強(qiáng)不息”。在清華優(yōu)良學(xué)風(fēng)的熏陶下，求知若渴的張進(jìn)宇沉浸在知識(shí)的海洋中汲取力量。課余時(shí)間，數(shù)學(xué)系的課堂上也常常能看到他的身影。本科畢業(yè)時(shí)，勤奮的他不僅獲得直博機(jī)會(huì)繼續(xù)深造，同時(shí)也取得了數(shù)學(xué)系的輔修學(xué)位。

博士階段時(shí)，在原子核物理領(lǐng)域?qū)W有所成的他，一直深深困惑于描述原子核質(zhì)子和中子的唯象理論，那些說(shuō)不清道不明的參數(shù)使一些物理研究變成了參數(shù)擬合。研究新的物理機(jī)理的時(shí)候，是不是可以從最底層的物理規(guī)律出發(fā)呢？博士畢業(yè)時(shí)，張進(jìn)宇的這個(gè)想法受到富士通研究開(kāi)發(fā)中心有限公司蓮尾信也（一位日本超導(dǎo)領(lǐng)域的專家）總經(jīng)理的認(rèn)同，從此張進(jìn)宇便以高級(jí)工程師的身份轉(zhuǎn)到微電子領(lǐng)域，開(kāi)始了原子級(jí)仿真工作的研究。關(guān)于原子級(jí)仿真，張進(jìn)宇這樣解釋道：“相當(dāng)于在研究物質(zhì)或者某一種物理機(jī)制的時(shí)候，我們嘗試探索它的每個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)原子的運(yùn)動(dòng)來(lái)得到一些宏觀的性質(zhì)?！蹦軌驈氖伦约合矏?ài)的工作，讓人干勁十足。他每天都花費(fèi)大量時(shí)間去推導(dǎo)數(shù)學(xué)公式，再去編程驗(yàn)證。在旁人看來(lái)枯燥深?yuàn)W的工作，他一干就是8年。期間他還與北京大學(xué)微電子所的老師們合作，嘗試從原子級(jí)仿真及第一性原理出發(fā)，探索小尺寸器件和工藝的物理機(jī)理。

然而，純學(xué)術(shù)的理論研究并不是企業(yè)的目的。他雖已取得一些科研成果，但離實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化的目標(biāo)還有一定差距，公司最終還是取消了這一方向的研究。“山重水復(fù)疑無(wú)路，柳暗花明又一村”。正是這次研究受阻，也使張進(jìn)宇反思，用他自己的話說(shuō)就是：“那完全就是一個(gè)自我否定的過(guò)程。”而這次轉(zhuǎn)折也成為他重回母校、全身心浸潤(rùn)科學(xué)研究的契機(jī)。

回歸高校 喜結(jié)碩果

是金子在哪里都會(huì)發(fā)光。憑借扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，張進(jìn)宇回到母校，擔(dān)任清華微電子所CAD室副主任一職，并在余志平教授、王燕教授等人的悉心指導(dǎo)下，開(kāi)啟了他在微電子領(lǐng)域科研的新征程。

加入清華后，他的研究聚焦于對(duì)微電子納米級(jí)的器件和工藝進(jìn)行仿真和建模。在微電子領(lǐng)域有一條“金科玉律”——摩爾定律，即集成電路上被集成的晶體管數(shù)目，會(huì)以每18個(gè)月翻一番的速度穩(wěn)定增長(zhǎng)。而當(dāng)今驅(qū)動(dòng)微納電子技術(shù)發(fā)展的路徑之一就是電子器件在納米尺度上的小型化，也被稱為“延續(xù)摩爾定律”，旨在提高性能、降低能耗及成本。尤其是溝道物理長(zhǎng)度為5納米的MOSFET的成功制備、石墨烯等多種二維半導(dǎo)體材料的應(yīng)用，更是給現(xiàn)有物理模型、數(shù)值方法和器件模型帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

無(wú)限風(fēng)光在險(xiǎn)峰，哪里有挑戰(zhàn)哪里就有機(jī)遇。當(dāng)CMOS電路進(jìn)入納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)后，功耗就成為大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域繼高性能、小面積后的關(guān)鍵性問(wèn)題。依靠對(duì)前沿科學(xué)問(wèn)題的敏銳嗅覺(jué)，對(duì)科研工作的執(zhí)著熱情，2013年，張進(jìn)宇作為課題負(fù)責(zé)人擔(dān)負(fù)起了原“973”計(jì)劃中“低功耗器件建模與集成電路功耗分析”課題的科研重任。幾年中，經(jīng)過(guò)北京大學(xué)、清華大學(xué)的課題組全體人員的密切合作和不懈努力，他們?cè)谛陆Y(jié)構(gòu)與低功耗新原理器件的模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)與建模等方面開(kāi)展了極富創(chuàng)新性的研究，取得了一系列成果，譬如建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的適于亞16納米及新型邏輯器性能評(píng)估及設(shè)計(jì)的多層次納米電子器件模擬器。從而大大提升了我國(guó)在半導(dǎo)體器件模型、模擬領(lǐng)域的研究水平和競(jìng)爭(zhēng)力，也在國(guó)際微電子領(lǐng)域獲得了較高的知名度和評(píng)價(jià)。

而在納米器件方面，張進(jìn)宇的研究也取得了不俗的成績(jī)。他從第一性原理出發(fā)，提出了計(jì)算CNT和金屬接觸的肖特基勢(shì)壘的新模型，改進(jìn)了傳統(tǒng)模型的局限性，同時(shí)還預(yù)測(cè)了相應(yīng)晶體管的性能。其相關(guān)成果已在微電子領(lǐng)域的頂會(huì)IEDM上發(fā)表，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該項(xiàng)會(huì)議上模型和模擬領(lǐng)域的空白。在新型阻變存儲(chǔ)器的研究中，他們采用原子級(jí)仿真的方法，發(fā)表了多篇阻變存儲(chǔ)器導(dǎo)電細(xì)絲在外電場(chǎng)下生長(zhǎng)的過(guò)程，從微觀圖像上讓人們更好地認(rèn)識(shí)阻變存儲(chǔ)器的工作機(jī)理。

過(guò)往經(jīng)驗(yàn)皆是財(cái)富，它會(huì)啟迪人們從不同的視角看問(wèn)題。在企業(yè)研究的經(jīng)驗(yàn)使張進(jìn)宇對(duì)科研目的多了一份思考?！氨热缡┑刃虏牧系难芯?，雖能發(fā)出比較好的文章，但事實(shí)上對(duì)科學(xué)進(jìn)步的貢獻(xiàn)可能并不如想象中的大?！比绾巫尶蒲谐晒涞鼐统蔀樗碌膴^斗目標(biāo)。

之后在和王燕教授及葉佐昌教授一起，張進(jìn)宇開(kāi)始了“集成電路建模與仿真關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目的研究。他們圍繞工藝波動(dòng)下器件性能的表征方法及成品率預(yù)測(cè)研究、新型納米器件的仿真方法研究等3個(gè)問(wèn)題展開(kāi)研究。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)個(gè)日夜奮戰(zhàn)，克難攻關(guān)，最終取得了新型的集成電路統(tǒng)計(jì)測(cè)試與分析框架等諸多成果。最令他欣慰的是，這次的研究成果不是“華而不實(shí)”的，目前已應(yīng)用于北京華大九天軟件有限公司等多個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)中，創(chuàng)造產(chǎn)值共約3000萬(wàn)元。成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化，也使該項(xiàng)目獲得2018年度中國(guó)仿真學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)科技進(jìn)步類一等獎(jiǎng)。

春風(fēng)化雨 潤(rùn)物無(wú)聲

除了科研工作，張進(jìn)宇還承擔(dān)著本科生和碩士生的教學(xué)任務(wù)。談到教學(xué)工作，在他攻讀博士時(shí)導(dǎo)師孫洪洲教授的教學(xué)方法讓他記憶猶新。“師者，傳道授業(yè)解惑者也?！睘槿藥煴恚钪貍鞯??！爱?dāng)時(shí)孫先生并不是簡(jiǎn)單地向?qū)W生布置任務(wù)，而是先親自推導(dǎo)出大量的公式，再讓學(xué)生們?nèi)退?yàn)算。他通過(guò)這種方法讓學(xué)生們弄明白了如何去研究，可謂用心良苦?！睆堖M(jìn)宇說(shuō)。

親力親為的做法，踏實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)讓張進(jìn)宇受益匪淺。如今他在教學(xué)中亦是如此。無(wú)論是讀文獻(xiàn)、做實(shí)驗(yàn)，或是寫(xiě)程序，學(xué)生們做什么他都會(huì)親自操作，而不是僅憑經(jīng)驗(yàn)去指導(dǎo)?！坝绕涫乔把匦缘恼n題，老師自己也未必清楚。當(dāng)和學(xué)生討論時(shí)，如果只說(shuō)一些概念性的東西，指導(dǎo)作用就不強(qiáng)?！爆F(xiàn)在他的學(xué)生們也取得了優(yōu)異成績(jī)，研究生何裕獲得2010年優(yōu)秀碩士論文，研究生朱瑋楠獲得2012年北京市優(yōu)秀畢業(yè)生及2012年優(yōu)秀碩士論文，還有多名同學(xué)獲得國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金。這是對(duì)他悉心教導(dǎo)的最好回報(bào)。

毛竹剛種下的頭4年，即使得到精心照顧，也只不過(guò)長(zhǎng)3厘米，一切努力看似徒勞。但從第5年開(kāi)始，已廣泛扎根的毛竹會(huì)以每天30厘米的速度生長(zhǎng)，短時(shí)間內(nèi)就能變成郁郁蔥蔥的竹林。這與科研很相似，成果的取得沒(méi)有捷徑，短期內(nèi)也不一定能看到成效，需要持之以恒地付出。芯片設(shè)計(jì)也是如此，起初的研究需要花費(fèi)大量人力財(cái)力，但一旦掌握就可避免受制于人。就如張進(jìn)宇所說(shuō)：“如果想把一件事做好，就得長(zhǎng)年累月地在這一方面努力。如果不是很專注地去做一件事情，不是全力投入，那么成果也會(huì)打折扣?！币褟氖露嗄暄芯抗ぷ鞯乃?，也正像毛竹一樣，把踏實(shí)科研的根深深地扎向土地，并靜心等待著未來(lái)那一片郁郁蔥蔥的豐收的竹林。