对话半导体专家卢志远院士：突破纳米级极限，最大的障碍是光刻机

早年在贝尔实验室的经历，又让他深刻体会到基础研究与应用转化之间的互动。

1989年，卢志远主持的“次微米计划”正面临集成电路行业极限挑战。最终，团队成功将器件工艺推进到纳米级别。在产业，他的研究几乎覆盖了易失性及非易失性存储器的材料、器件和系统全链程。

谈及基础科学人才，他认为中国科研在过去二三十年的投入已经培养出大量优秀科研人才，他们视野开阔，正值黄金阶段。在基础研究和产业应用两个方面，中国都已具备强劲的竞争力。

AI的发展也为半导体行业带来了新的机遇。当前，AI对算力的需求以每年2.5倍的速度增长，他认为，这种对算力的需求推动了存算合一、3D堆叠等新方向的探索，也使得材料与结构的根本性创新更加迫切。

“很多人觉得搞基础研究远离现实没什么用，但实际上所有技术的根都在基础科学里。”

对于年轻的科研人员，他也提出了自己的建议：“不要着急寻找答案。”他认为，我们不能只培养会考试的学生，而要培养能提出问题的人。正如他儿时自己去验证世界的物理规律，这种主动探索的习惯，成为他此后几十年科研之路的起点。

以下为此次对话精编：

媒体：首先能否请您科普一下，闪存和传统的硬盘、内存在原理上有什么区别？

卢志远：传统硬盘是利用磁的原理，把磁性材料的导向设为上或下，分别代表0和1。内存则是采用一个晶体管加上电容器的结构，有电的时候可以读写数据，但只要电源断掉，所有的数据就都会消失。

闪存的原理不同，我们把电子放进一个“盒子”里，有电子就当作0，没有电子就当作1，但这个过程较慢，就像写字时需要先擦掉再重新写。闪存擦除不是逐字擦除，而是一次擦除一个区块，比如一个区块有1000个字，它会一次全部清除，这也是“闪存”这个名字的由来。

这三者所使用的物理原理是完全不同的。内存是晶体管加电容器的组合结构，硬盘是电磁原理，而闪存则是利用特殊材料的晶体管，通过电子的有无实现存储。

媒体：决定闪存的使用次数和容量密度这两个指标的关键因素是什么？

卢志远：密度的提升取决于是否能在单位面积内摆更多的信息单元，这需要将元件做得更小。而擦写次数的问题就像在纸上反复写字、擦字，纸最终会损坏。我们希望每次擦除都“温柔”些，甚至在它快坏之前能进行修复。

我们通过新的发明，使得原本只能使用1万次的闪存提升到1亿次、甚至100亿次都不会坏。关键技术就是“自我修复”。当闪存元件使用一段时间后出现损伤，我们会在适当的时候“修复”它，就像把拉歪了的原子结构扶正一样。这需要我们对机制和材料的深刻理解，才能找到其中的诀窍。

媒体：您提到的“自我修复”是如何实现的？是否需要人工操作或外部介入？

卢志远：我们是利用量子隧穿效应来进行写入和擦除操作。就像“穿墙人”一样，电子在没有门窗的情况下也能穿过墙壁。但多次穿越会导致墙体结构损坏。我们的做法是，在墙即将被损坏之前进行加热。热会让被撞歪的原子重新排列、恢复原位，就像新的一样。

我们做的实验中，已经能做到1亿次的擦写而不损坏，甚至还有学术杂志称这种技术为“Flash Forever”，意思是“永不损坏的闪存”。

媒体：在实现这一目标的过程中，您觉得最难的地方是在材料还是工艺？

卢志远：最关键的还是对材料的细节理解。我们要知道原子被撞歪之后歪成什么样还可以恢复，歪得太厉害就不行。就像橡皮筋拉得太久会断，我们要确保是在“可恢复范围”内使用。掌握这些物理和材料特性，才能精确控制修复的节奏和条件，从而达到预期目标。

媒体：可否简要分享一下您走上学术道路的经历？为何选择在半导体和存储领域扎根？

卢志远：我原本学的是物理，对半导体材料非常感兴趣。它既不是导体，也不是绝缘体，而是处在两者之间，导电性能可以变化10的18次方，非常神奇。过去我们并不能很好理解半导体的性质，直到量子力学的发展，才让我们有能力去解释它的行为。

当你理解了这些基础原理后，自然就会去思考如何应用它。1970年代我在大学和研究所学习的时候，正好赶上了集成电路（IC）的发展，我几乎是和它一同成长的，因此就扎根在这个领域。

媒体：1989年是您从实验室走向产业的重要节点，是否有某种契机促成这个转变？

卢志远：1989年恰逢集成电路技术一个关键的转折点，当时技术界普遍认为IC尺寸缩小已经接近极限，特别是一微米以下的缩小，被认为是不可突破的屏障。我当时在工业技术研究院主持的项目叫“次微米计划”，目标就是要突破这个一微米极限。

我们后来确实成功突破，并且一路缩小到了纳米级别（1微米=1000纳米）。这也标志着半导体领域从基本科学走向高科技应用的过程。正是在这个背景下，我决定进入产业，把研究成果真正落地。

媒体：我们知道非易失性存储和易失性存储目前是两套体系，一个快但易失，一个慢但可长期保存，未来有可能将二者融合吗？

卢志远：这是所有做IC的人都梦寐以求的目标，我们称之为“圣杯”。大家都希望有一天能既拥有内存的速度，又拥有闪存的数据保持能力。但目前来看，还没有明确的突破路径。

我们做过尝试，比如采用新材料相变化内存，取得了一定进展，但还是比内存慢大约100倍。要真正实现快和稳定的统一，必须找到新的材料、新的结构，这仍是极具挑战性的研究方向。

媒体：您能否展望一下未来10到20年，半导体领域可能有哪些具有颠覆性的突破？

卢志远：我认为最重要的突破可能出现在“存算合一”领域，也就是让存储器本身具备计算功能，就可以大幅减少数据搬移，提高效率并节省能耗。

现在业界已经在尝试靠近这个目标，比如GPU配合HBM就是一种存算配合的做法，下一步就是完全的融合。

媒体：您刚才提到在几十年前大家曾认为“一微米”是物理极限，现在我们已经进入纳米时代，您认为何时能突破纳米级的物理极限？

卢志远：突破纳米级极限，最大的障碍其实是光刻机。现在最先进的光刻技术是EUV（极紫外光），波长大约3纳米左右，按物理原理，它的解析度也只能做到这么小。虽然我们通过各种优化，可以做到2纳米甚至1纳米，但再往下，就不行了。

要发展新一代光刻机，可能还需要20到30年，在此之前，产业界采用的是“堆叠”策略，这种方式让我们暂时规避极限，但从根本上突破，依旧需要新的光源、光学材料和系统工程。

媒体：有专家评价您的研究是在用物理创新重构存储器的形态。您怎么看待“弯道超车”？我们是否能借助这项技术在全球实现反超？

卢志远：从科学角度来看，确实可以“弯道超车”。当我们遇到传统路线的瓶颈时，就回到物理原理出发点，重新思考结构设计，这能让我们找到别人没找到的路。但从产业角度，弯道超车就难得多。

原因有两个：第一是产业投入巨大，若彻底改变架构，原有设备就报废，成本太高，而且量产良率等的学习曲线费时甚长。第二是客户不愿改变。例如CPU、系统软件、主板等都是为现有结构设计的，若你变动太大，牵一发而动全身。

所以产业上倾向于“缓弯”或“斜道小超”，但在学术上，我们仍应大胆探索，走在前面。

媒体：在材料、器件、系统三个层面协同推进时，是否做过关键技术取舍？可否分享一些例子？

卢志远：这是产业落地中最关键的问题。我们的发明只是系统中的一个component（组成部分）。系统成本、功耗、效率都影响最终采用与否。比如我们本来做的闪存有16条输出管脚（parallel I/O），但我们后来选择只保留1条（serial I/O），看似退步，实际上系统整体更省钱，主板走线减少、电路简化，客户更喜欢这种设计。

媒体：您长期在国际一线科研圈活跃，您怎么看中国在基础研究或产业落地方面的核心竞争力？

卢志远：中国这几年在国际高水平会议上取得了显著进展。我认为这是过去二三十年国家对教育和科研投入的结果，培养了大批人才。这批人现在正值三四十岁的黄金阶段，科研能力强、视野宽、条件也比以前好了很多。我认为未来中国在基础研究和产业应用方面都具备很强的竞争力，并且值得国际同行尊敬。

媒体：半导体存储技术当前仍面临哪些挑战？未来有哪些我们可以期待的突破？

卢志远：供需不稳定导致存储器产业震荡大。比如一台2万美元的车因缺一颗2元的IC而无法出货，以致售价暴涨；而某段时间产能过剩，又导致芯片贱卖。这样的大起大落让企业很难长期稳定发展。

媒体：AI的崛起对半导体存储器会产生哪些影响？

卢志远：AI数据量庞大，需要高速、高密度、稳定的存储器系统。我们测算AI对算力的需求每年以2.5倍的速度增长。GPU与HBM（高带宽内存）的结合、高性能非易失性存储器、冯·诺依曼结构优化，存算合一的实现，都成为新一代AI系统架构的基础支撑。

媒体：您曾多次提到教育和科研的重要性，能否谈谈您对教育的看法，特别是在启发创造力方面？

卢志远：教育不仅是传授知识，更重要的是激发思考。我们不能只培养会考试的学生，而要培养能提出问题的人。我特别鼓励年轻人在面对复杂系统时，不要急着找答案，而是先问：为什么会这样？有没有别的可能？这种训练，是科研最宝贵的素养。

我的父亲是中国矿冶工程学会的专家，他不会要求我和弟弟学习矿冶专业，也不会主导我们的学习方向，但是他常常会带着我们参加不同学会举办的各种参观活动或年会，虽然我们年纪小，可能看不懂其中的技术专业，但长期身处这种环境氛围中，让我们从小就培养了对科研的兴趣与思考力。也正因为这种从小养成的能力，在80年代集成电路崛起的时机，我就毅然决然地投入到半导体产业，把研究成果真正落地。