芯之所向 行之所往
——記清華大學集成電路學院副教授唐建石

衛婷婷

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

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

唐建石

基礎科研：獨行于思想苦旅中

唐建石出生在湖南省的一個小縣城，家境不富裕的他深信知識改變命運的道理，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清華大學電子科學與技術專業。在大學期間，唐建石依然勤奮刻苦，求學好問。由于上大學之前幾乎沒有接觸過電腦，他在大一期間學習C語言編程、工程制圖等課程時，遲遲不能進入狀態。但他及時調整自己的心態，把自己泡在計算機機房和自習室里，一點點去復現教材里每一段程序，繪制每一幅視圖。苦心人天不負，在經過一番廢寢忘食的奮力拼搏之后，他逐漸領悟了大學學習的訣竅，并在學期末取得優異的成績。跨過這道溝壑，經過更深入的專業課學習，唐建石對微電子專業興趣漸濃。對于大學時期的他而言，興趣是試金石一般的存在。興趣屢屢向他發問：“困難擋在面前，你是否心誠志堅？”答案是肯定的，唐建石在學業上始終保有一顆恒心，意志彌堅。在意識到我國半導體產業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。經過班主任鄧寧教授和導師余志平教授的大力推薦，他決定前往美國加州大學洛杉磯分校電子工程專業攻讀博士學位，師從納電子學領域的泰斗王康隆教授。

大學畢業來到美國，站在新的起點上，唐建石面臨更多的機遇和挑戰。他既要融入當地的語言和社交環境，“逼迫”自己盡快適應異國他鄉的生活，又要盡快選擇科研方向。導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域。最終他瞄準了微電子學專業的分支之一：“自旋電子學”，著手研究低維納米材料獨特的自旋輸運特性，進一步開發低功耗的自旋邏輯器件。博士畢業之后，唐建石面臨職業生涯的重大選擇，擺在他面前的是兩條路：一是進入企業工作，二是去學術界深造。何去何從？正當他舉棋不定之時，IBM Watson研究中心（以下簡稱“IBM”）向他拋出了橄欖枝。

2015年，唐建石進入IBM從事博士后研究。在頂尖半導體企業中做前沿技術研究，讓唐建石得以直面企業的瓶頸問題，他的研究方向也隨之轉變。在此期間唐建石主要圍繞碳納米管電子學開展研究。碳納米管被譽為半導體產業的“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勢。唐建石在IBM的主要工作是基于碳納米管代替硅來設計高速、低功耗的邏輯電路，并進一步開發高性能柔性集成電路。

在國外學習工作多年，唐建石始終保有一個純粹的科研理想，愿在科研之路上當一名苦行僧，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行業內的知名青年學者。在IBM工作4年，唐建石領悟到不能將科研成果束之高閣。因此，在關注到國際方面的產業需求之后，唐建石試問自己：能不能發揮專業所長，為中國芯片研發積累一些原創性的技術？“我要做跟國家長期發展規劃相契合的研究，為科研成果轉化和應用做一些實實在在的事情。”這個念頭在他的腦海里呼之欲出，也牽引他踏上了歸途。

成果應用：凡心所向 素履以往

像是結束了一程修行，2019年年初，唐建石回到了母校清華大學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，他與團隊成員一起認認真真“做夢”，踏踏實實做事，是夢想家，又是實干家。他目前致力于研究新型存儲器與類腦計算，受大腦啟發探索新的計算范式，利用阻變存儲器（又稱憶阻器）將存儲與計算融為一體，開發新一代智能芯片，減少運算過程中的數據搬移，提高運算速度的同時降低能耗。

相比于傳統數字存儲的應用，存算一體化的應用對新型存儲器的性能要求也更高。為突破這一技術難題，唐建石申請了國家自然科學基金委“后摩爾時代新器件基礎研究”重大研究計劃的培育項目“基于鈣鐵石氧化物相變的模擬型阻變存儲器件研究”，面向傳統憶阻器中氧空位分布和遷移的隨機性導致器件一致性差等問題，開展新原理的憶阻器件基礎研究。

研究中，唐建石及其團隊選擇具有原子有序的氧空位通道的鈣鐵石氧化物作為關鍵的阻變層，采用脈沖激光沉積方法外延生長高質量薄膜，通過選擇晶相的手段來控制氧空位通道的排布和方向，并使用電場調控材料中離子的有序遷移，使其發生結構可逆相變時實現不同阻態的翻轉，進而制備高性能的模擬型阻變存儲器，并結合實驗數據進行人工神經網絡仿真，該工作也于近期發表在《科學進展》期刊上。他們提出的器件設計與優化方法，有望為未來類腦計算與存算一體應用提供良好的器件基礎。

在國內，芯片產業逐漸發展成為熱門產業，相關實驗室和初創公司亦如雨后春筍般搭建起來，對標IBM的科研團隊，唐建石說：“國外高校的團隊規模一般比較小，適合將科研對準某一領域精耕細作，而國內的團隊規模更大，每個科研工作者的專業背景優勢互補，在許多需要廣度覆蓋的研究上可以形成合力。比如我們團隊中有人研究材料和機理，有人研究器件和工藝，還有人研究電路設計和算法等。團隊科研覆蓋面廣，所以我們希望能夠把一些關鍵技術從基礎研究、科研創新往應用方面去推動。”

憑借此前在IBM的工作經驗，唐建石回國后也注重與國內的龍頭企業合作。為實現將原創技術和產業需求接軌的多年夙愿，他帶領團隊加入了“騰訊犀牛鳥專項研究計劃”。目前團隊正在跟騰訊機器人實驗室合作，將前沿技術應用到產業中去，以智能傳感為出發點，為機器人仿生觸覺傳感技術提供支持，團隊研發的高靈敏度壓力傳感器已被應用到騰訊多個產品項目中。從實驗室提供的機器狗步態檢測結果的反饋來看，其傳感器效果穩定，比市面上許多產品更好用。“將來，機器人的傳感技術與人工智能或許可以碰撞出火花。”唐建石翹首以盼。

唐建石（中）和學生合影

課程改革：描繪產業發展藍圖

除了以科研項目為契機讓學生近距離接觸前沿科學創新與企業的應用需求，如今身為清華大學集成電路學院的博士生導師，唐建石秉承著持續創新的教育理念，以應用為尺推進課程改革，為學生描繪集成電路產業發展之路的新藍圖。

除了詳細講授歷久彌新的基本原理，唐建石還鼓勵學生更多去了解整個行業發展趨勢與前沿技術。在與吳華強教授一起設計的先進微電子工藝實踐課程中，他們不僅邀請行業內的專家給學生講解最前沿的技術發展趨勢，還帶領學生到中芯國際等龍頭企業參觀產線及芯片制造的先進工藝流程。

紙上得來終覺淺，須知此事要躬行。展望未來，唐建石渴望繼續立足產業發展，不斷啟蒙學生的思想，從應用出發，幫助學生更深刻地認識微電子工藝中更新迭代的各項技術。“學生如果對集成電路感興趣，他們畢業之后也會從事這方面的工作。而將課堂和產業掛鉤，是希望能夠給國家，給這個行業培養更優秀的人才。”當越來越多的有志之士涌入立足國家戰略需求的芯片熱潮中，唐建石和他的學生們已經做好了一同奮勇搏擊、開創未來的準備。