芯之所向 行之所往——记清华大学集成电路学院副教授唐建石

卫婷婷

当前智能手机、电脑等电子设备已成为人们生活中不可或缺的一部分，更高的运行速度、更加持久的电量一直是用户追求的目标。然而优化这两项性能，离不开集成电路研究领域的技术突破。为打破传统硅基芯片发展面临的物理瓶颈，科学家们近年来开始研究替代硅基芯片的新型材料与新器件。

清华大学集成电路学院副教授唐建石近年来紧密围绕着碳基电子学与类脑计算等研究方向开展与芯片相关的研究。芯之所向，行之所往。让我国自主研发的芯片在节能的前提下计算速度更快、效率更高，是他长期追求的目标。

唐建石

基础科研：独行于思想苦旅中

唐建石出生在湖南省的一个小县城，家境不富裕的他深信知识改变命运的道理，只能凭借自身的努力才能见识到更广阔的新天地。天道酬勤，2004年，唐建石以全省前十名的成绩考进清华大学电子科学与技术专业。在大学期间，唐建石依然勤奋刻苦，求学好问。由于上大学之前几乎没有接触过电脑，他在大一期间学习C语言编程、工程制图等课程时，迟迟不能进入状态。但他及时调整自己的心态，把自己泡在计算机机房和自习室里，一点点去复现教材里每一段程序，绘制每一幅视图。苦心人天不负，在经过一番废寝忘食的奋力拼搏之后，他逐渐领悟了大学学习的诀窍，并在学期末取得优异的成绩。跨过这道沟壑，经过更深入的专业课学习，唐建石对微电子专业兴趣渐浓。对于大学时期的他而言，兴趣是试金石一般的存在。兴趣屡屡向他发问：“困难挡在面前，你是否心诚志坚？”答案是肯定的，唐建石在学业上始终保有一颗恒心，意志弥坚。在意识到我国半导体产业与研究跟国外的巨大差距之后，他萌生了“想出国去看看”的念头。经过班主任邓宁教授和导师余志平教授的大力推荐，他决定前往美国加州大学洛杉矶分校电子工程专业攻读博士学位，师从纳电子学领域的泰斗王康隆教授。

大学毕业来到美国，站在新的起点上，唐建石面临更多的机遇和挑战。他既要融入当地的语言和社交环境，“逼迫”自己尽快适应异国他乡的生活，又要尽快选择科研方向。导师给了唐建石自由探索的空间，让他不疾不徐地寻找着自己感兴趣的领域。最终他瞄准了微电子学专业的分支之一：“自旋电子学”，着手研究低维纳米材料独特的自旋输运特性，进一步开发低功耗的自旋逻辑器件。博士毕业之后，唐建石面临职业生涯的重大选择，摆在他面前的是两条路：一是进入企业工作，二是去学术界深造。何去何从？正当他举棋不定之时，IBM Watson研究中心（以下简称“IBM”）向他抛出了橄榄枝。

2015年，唐建石进入IBM从事博士后研究。在顶尖半导体企业中做前沿技术研究，让唐建石得以直面企业的瓶颈问题，他的研究方向也随之转变。在此期间唐建石主要围绕碳纳米管电子学开展研究。碳纳米管被誉为半导体产业的“明日之子”，相比于主流硅材料，它是一种具有原子级厚度的新型纳米材料，在制备高性能晶体管方面具有超高迁移率、超薄沟道，以及更低工作电压等优势。唐建石在IBM的主要工作是基于碳纳米管代替硅来设计高速、低功耗的逻辑电路，并进一步开发高性能柔性集成电路。

在国外学习工作多年，唐建石始终保有一个纯粹的科研理想，愿在科研之路上当一名苦行僧，沿途收获一步步接近梦想的喜悦。他在美国不断汲取知识，增长理论见识，提升研究能力，迅速成长为芯片研发行业内的知名青年学者。在IBM工作4年，唐建石领悟到不能将科研成果束之高阁。因此，在关注到国际方面的产业需求之后，唐建石试问自己：能不能发挥专业所长，为中国芯片研发积累一些原创性的技术？“我要做跟国家长期发展规划相契合的研究，为科研成果转化和应用做一些实实在在的事情。”这个念头在他的脑海里呼之欲出，也牵引他踏上了归途。

成果应用：凡心所向 素履以往

像是结束了一程修行，2019年年初，唐建石回到了母校清华大学和自己昔日的恩师们做起了同事。重归梦想开始的地方，他也迅速开启了新的人生篇章。面对科研，他与团队成员一起认认真真“做梦”，踏踏实实做事，是梦想家，又是实干家。他目前致力于研究新型存储器与类脑计算，受大脑启发探索新的计算范式，利用阻变存储器（又称忆阻器）将存储与计算融为一体，开发新一代智能芯片，减少运算过程中的数据搬移，提高运算速度的同时降低能耗。

相比于传统数字存储的应用，存算一体化的应用对新型存储器的性能要求也更高。为突破这一技术难题，唐建石申请了国家自然科学基金委“后摩尔时代新器件基础研究”重大研究计划的培育项目“基于钙铁石氧化物相变的模拟型阻变存储器件研究”，面向传统忆阻器中氧空位分布和迁移的随机性导致器件一致性差等问题，开展新原理的忆阻器件基础研究。

研究中，唐建石及其团队选择具有原子有序的氧空位通道的钙铁石氧化物作为关键的阻变层，采用脉冲激光沉积方法外延生长高质量薄膜，通过选择晶相的手段来控制氧空位通道的排布和方向，并使用电场调控材料中离子的有序迁移，使其发生结构可逆相变时实现不同阻态的翻转，进而制备高性能的模拟型阻变存储器，并结合实验数据进行人工神经网络仿真，该工作也于近期发表在《科学进展》期刊上。他们提出的器件设计与优化方法，有望为未来类脑计算与存算一体应用提供良好的器件基础。

在国内，芯片产业逐渐发展成为热门产业，相关实验室和初创公司亦如雨后春笋般搭建起来，对标IBM的科研团队，唐建石说：“国外高校的团队规模一般比较小，适合将科研对准某一领域精耕细作，而国内的团队规模更大，每个科研工作者的专业背景优势互补，在许多需要广度覆盖的研究上可以形成合力。比如我们团队中有人研究材料和机理，有人研究器件和工艺，还有人研究电路设计和算法等。团队科研覆盖面广，所以我们希望能够把一些关键技术从基础研究、科研创新往应用方面去推动。”

凭借此前在IBM的工作经验，唐建石回国后也注重与国内的龙头企业合作。为实现将原创技术和产业需求接轨的多年夙愿，他带领团队加入了“腾讯犀牛鸟专项研究计划”。目前团队正在跟腾讯机器人实验室合作，将前沿技术应用到产业中去，以智能传感为出发点，为机器人仿生触觉传感技术提供支持，团队研发的高灵敏度压力传感器已被应用到腾讯多个产品项目中。从实验室提供的机器狗步态检测结果的反馈来看，其传感器效果稳定，比市面上许多产品更好用。“将来，机器人的传感技术与人工智能或许可以碰撞出火花。”唐建石翘首以盼。

唐建石（中）和学生合影

课程改革：描绘产业发展蓝图

除了以科研项目为契机让学生近距离接触前沿科学创新与企业的应用需求，如今身为清华大学集成电路学院的博士生导师，唐建石秉承着持续创新的教育理念，以应用为尺推进课程改革，为学生描绘集成电路产业发展之路的新蓝图。

除了详细讲授历久弥新的基本原理，唐建石还鼓励学生更多去了解整个行业发展趋势与前沿技术。在与吴华强教授一起设计的先进微电子工艺实践课程中，他们不仅邀请行业内的专家给学生讲解最前沿的技术发展趋势，还带领学生到中芯国际等龙头企业参观产线及芯片制造的先进工艺流程。

纸上得来终觉浅，须知此事要躬行。展望未来，唐建石渴望继续立足产业发展，不断启蒙学生的思想，从应用出发，帮助学生更深刻地认识微电子工艺中更新迭代的各项技术。“学生如果对集成电路感兴趣，他们毕业之后也会从事这方面的工作。而将课堂和产业挂钩，是希望能够给国家，给这个行业培养更优秀的人才。”当越来越多的有志之士涌入立足国家战略需求的芯片热潮中，唐建石和他的学生们已经做好了一同奋勇搏击、开创未来的准备。