现代社会几乎离不开芯片。小到一块电子手表，大到航天飞船、高速铁车，如果没有芯片的支持，一切都无法运行。我国在芯片领域起步不晚，但发展不快，高端芯片依赖国外，每年进口芯片就要花上2万亿，远远超过石油，成为我国第一大进口商品。
尽管我国为国外厂商提供了巨大利润，但并未收获感激，反而被人卡了脖子，想断供就断供，说断供就断供。
“断供”让曾经犯了迷糊的人也清醒过来，一切都得靠自己。我们依靠独立自主发展起来，也得依靠独立自主继续前行。在一系列政策推动之下，各个方面可谓群策群力，各显神通。
高校在解决芯片“卡脖子”难题上，也是纷纷集中优势力量，进行集中攻关，可谓冲锋陷阵。两年过去了，高校在芯片方面又取得哪些“战果”呢？我们一起来看看吧！
兰州大学首颗极大规模全异步电路芯片流片成功
近日，随着一件快递的到来，兰州大学迎来了它的首颗极大规模全异步电路芯片。这是由兰州大学信息科学与工程学院何安平领衔的异步电路与系统团队设计并成功流片的120颗名为LZU_GERM的芯片。
该芯片采用40纳米工艺制程，在每颗仅有96平方毫米的芯片上共集成了3.5亿晶体管和1512个CPU，且每颗芯片的功耗仅有98毫瓦。这些芯片在2021年4月底完成设计，并于2022年5月成功回片。
图为部分LZU_GERM芯片
异步电路的优点主要在于低功耗，而难点在于没有时钟电路作为芯片的全局驱动电路，并且主流的商用EDA软件均是针对同步电路设计的软件。国内优秀的同步电路设计团队很多，但是异步电路设计团队却寥寥无几，有能力生产芯片的团队就更是少之又少。
国外从很早就注意到了异步电路的优势并开始了研究，但是对中国却有严格的技术封锁。何安平带领团队历经9年时间，从异步电路设计方法学开始，一直探索到芯片设计。在主流商用EDA软件的基础上，逐渐突破了异步驱动逻辑设计、异步时序约束、大规模异步电路设计和设计稳定性验证等一系列芯片设计问题。
这款芯片也正是他们团队研究成果的集合，团队采用国际上最先进的异步电路设计方法，在这一枚枚小小的芯片上，每一个异步的CPU核都将由异步的mesh网络连接，数据在CPU中运算后会被mesh网络广播到各个路由节点，并被目标路由节点抓取。这样的工作机制非常适合用于现如今大家非常熟知的类脑计算和其他高并发计算领域。
在国外，Intel、IBM等公司已经用Loihi、TrueNorth等芯片证明了用异步电路做类脑计算，无论是在功耗上还是在性能上均比同时期的同步电路优越。而国内的大规模异步电路设计尚处于初级阶段，未来可期。同时，何安平团队基于异步电路设计的EDA软件“拼图”3.0版历经两次迭代，日臻成熟，成为中国自主研发的第一个异步电路EDA（电子设计自动化）软件，并在OpenI网站开源。
中国科大6G滤波器研发获重大突破
近日，中国科学技术大学（以下简称“中国科大”）网站对外发布，中国科大在6G滤波器领域取得重要进展。该研究成果由微电子学院左成杰教授研究团队在铌酸锂（LiNbO3）压电薄膜上设计并实现了Q值超过100000的高频（6.5 GHz）微机电系统（MEMS）谐振器，与文献中现有的工作相比，把Q值提升了2个数量级。
其中，左成杰教授为论文通讯作者，微电子学院博士生戴忠斌为论文第一作者。此项研究工作得到了国家重点研发计划和中央高校基本科研基金的资助，也得到了中国科大微电子学院、中国科大微纳研究与制造中心、中国科大先进技术研究院和中国科学院无线光电通信重点实验室的支持。
据悉，相关成果以“Ultra HighQLithium Niobate Resonator at 15-Degree Three-Dimensional Euler Angle”为题于5月16日在线发表在电子器件领域知名期刊IEEE Electron Device Letters上。
研究人员提出了一种基于三维欧拉角α在x-cut单晶铌酸锂压电薄膜上设计并制备高频MEMS谐振器的方法。通过设计谐振器的电极结构，工作于6.5 GHz的S1振动模态被激发，并且当声波传播方向（α）位于15°时，谐振器并联谐振频率（fp）处的品质因数（Qp）高达131540，对应的谐振器优值k2·Qp和fp·Qp分别达到6300和8.6×1014Hz（图1）。
图1.新型MEMS谐振器结构设计及性能测试：(a)三维欧拉角的定义；(b)制备的谐振器SEM照片；(c)15°谐振器导纳曲线测试结果
如图2所示，与近10年其它的工作在类似频段的谐振器比较，该新型MEMS谐振器把Q值提升了2个数量级，并且首次突破了谐振频率与Q值乘积（f·Q）这一难以同步提升的谐振器优值极限。更重要的是，相关工作成功发现了利用三维欧拉角可以对铌酸锂薄膜介电损耗和声学损耗进行调控的新机理，为未来微纳器件在高频无线通信、医学超声成像、智能信息处理和物联网传感器等应用领域打开了更多的可能性。
图2.新型MEMS谐振器与近10年其它铌酸锂谐振器Q值的比较
清华制成世界上栅极长度最小晶体管
今年3月，清华大学集成电路学院教授任天令团队在小尺寸晶体管研究方面取得突破，首次制备出亚1纳米栅极长度的晶体管，其具有良好的电学性能。相关成果发表在最新一期《自然》杂志在线版上。
亚1纳米栅长晶体管结构示意图
华中科大——2022年2月，李一伟教授团队，致国力于芯片类器官的高通量培养，终于研制出稳定高效且有独立知识产权的类器官培养芯片，开发出类器官智能制造和高通量生产系统，并开始产学合作实现科研成果转化，有望在近期推向临床，为癌症病人提供个体化类器官构建和药物评估服务。类器官是人工器官的一种，在医学界是当之无愧的前沿研究，这项技术可以助力开发针对中国人的药物、疫苗，将国人“健康密码”掌握在自己手中。
南京大学——2022年1月，王欣然教授团队潜心研究二维半导体单晶，已经取得突破。该团队尝试着改变蓝宝石表面的原子台阶的方向，利用原子层取向，从而诱导成核机制，实现了单晶薄膜向外延为两英寸的生长，芯片性能提升200%。这是全球第一个实现的例子。
浙江大学——2021年12月，发布了“莫干1号”“天目1号”超导量子芯片学术成果。量子计算机的研制已成为全球科技战略的必争高地，量子芯片研制是量子计算机研究的核心。“莫干1号”和“天目1号”由浙朱诗尧领衔的团队研制。天目一号拥有36个量子比特，超越了西方大部分国家，突破了国外的技术壁垒，并绕开了高端光刻机，实现弯道超车。
华中科大——2021年11月，吕志鹏教授带领一支年轻团队，在CAD Contest布局布线算法竞赛中夺得全球第一。EDA是电子设计的基石产业，被誉为“芯片之母”，“谁掌握了EDA，谁就有了芯片领域的主导权。”此届算法竞赛共有来自12个国家和地区的137支队伍参加，包括加州大学伯克利分校、东京大学等众多国内外名校与研究机构。
清华大学——2021年10月，在路新春教授团队在芯片设备方面取得突破，国内首台12英寸超精密晶圆减薄机（Versatile-GP300）正式出机，并已经发往国内某集成电路龙头企业。我国的晶圆减薄机一直就依赖海外进口，国产从无产出。清华大学生产的该设备应用于3D IC制造、先进封装等芯片制造大生产线，打破了外国集团的长期技术垄断。
武汉大学——2021年10月，该校致力于解决室外卫星信号对于室内空间不可用不可达、室内定位精度低的技术难题，首次突破了精准测距、窄频带漫游和多源融合定位三大核心技术，发布了全球首款基于RISC-V高精度室内定位音频芯片，拥有完全自主的核心知识产权，突破了消费级智能终端室内高精度定位“卡脖子”关键技术，用中国芯创造导航定位中国方案。
云南大学——2021年7月，该校材料与能源学院成功突破硫化铂和石墨烯融合，解决了相关物理问题，优化了两种材料的融合工艺。从综合性能来看，硫化铂优于石墨烯和单晶硅，很有可能成为我国芯片代工领域媲美 国外的关键材料。硫化铂可以弥补石墨烯晶圆管的不足，拥有较宽的能量间隙和高的架空性，在光、电和磁方面表现也很出色。硫化铂内部结构稳定性较好，并且杂质较少，很有可能成功延续摩尔定律。
中国科大——2021年6月，郭光灿院士团队在光量子芯片研究中取得重要进展，在国际上首次展示了波导模式编码的两比特受控非门控操作。该实验中的量子受控非门能够实现对两个波导模式编码量子比特的纠缠，平均保真度在0.87到0.91之间。该成果为波导模式编码的量子操作铺平了道路，也可用于片上多自由度光量子信息处理，为实现大规模光量子系统奠定了基础。
湖南大学——2021年5月，刘渊教授团队通过使用范德华金属集成的方法，实现了超短沟道的垂直场效应晶体管。通过对垂直器件进行微缩，垂直晶体管的开关比性能提升了两个数量级。该项研究有望为生产出拥有超高性能的亚3nm级别的晶体管，制备因工艺水平限制而出现不完美界面的范德华异质结器件，为提升芯片性能提供了一种全新的低能耗解决方案，为“后摩尔时代”半导体器件性能提升增添了希望。
国防科大——2021年2月，该校计算机学院QUANTA团队联合军事科学院、北京量子信息科学研究院、中山大学光电材料与技术国家重点实验室等单位，研发出一款新型可编程硅基光量子计算芯片，实现了多种图论问题的量子算法求解，有望未来在大数据处理等领域获得应用。这是量子计算在工程化方面等的“卡脖子”问题。
清华大学——2021年2月，唐传祥研究组与合作团队在《自然》上发表研究论文《稳态微聚束原理的实验演示》，报告了一种新型粒子加速器光源“稳态微聚束”的首个原理验证实验。这项研究有望解决自主研发光刻机中最核心（极紫外光源）的“卡脖子”难题。
北京大学——2021年1月，彭练矛团队在以石墨烯为基础的碳基领域取得突破，不仅掌握了整套碳基CMOS集成电路无掺杂的制备技术，而且还制作出了栅长达到5nm工艺的碳晶体管，尺寸方面与硅基无异，综合性能却超过了硅基的十倍还多。从理论上讲，碳基芯片可以绕过光刻机。这项堪称“奇迹”的CMOS技术，不仅有机会解开目前光刻难题带来的芯片困境，同时也让我国在接下来的“碳时代”处在了领跑的位置。
哈工大——2021年1月，韩杰才院士团队，与香港城市大学、麻省理工学院等单位合作，在金刚石芯片领域取得新进展。“金刚石”芯片被誉为新型半导体材料的终极形态，除了大家理解的耐用性之外，整体性能远超目前主流的硅基芯片。这为实现芯片弯道超车提供了极大机会。
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从上面我们可以看出，近两年来我国多所高校在芯片方面取得了技术突破，这些都是“卡脖子”难题，既有传统芯片的技术突破，也有弯道超车的技术创新，还有新基材料的发现，更是在光量子芯片上不断取得进展，说明我国高校在攻克芯片关键技术方面正在全面发力并不断突破“卡脖子”难题，有可能在较短的时间之内使我国全面掌握完整的芯片高端技术。
来源：用芯CBO
