李剛

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

70多年前，晶體管的發(fā)明拉開了人類社會信息化的帷幕。如今，微電子技術已滲透到人類社會的各個方面，成為衡量一個國家綜合實力的標志之一。能否把核心技術牢牢握在自己手中，不僅事關產(chǎn)業(yè)命運，更關系到國家穩(wěn)定發(fā)展。

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

興趣驅動 初探研究

人生總有很多機緣，每一次選擇都有可能改變命運輪盤的方向。年少時成績并不突出的張進宇不會想到，有一天他會進入清華大學，在這里學習成長，并把事業(yè)的種子播種在這片熱土上。

每當回憶起年幼時的自己，謙遜的張進宇總是用“普通”來形容。因父母工作調動的緣故，張進宇很小就來到北京學習和生活。小學、初中讀的都是普通學校，一直沒有亮眼成績的他，卻在后來展現(xiàn)出對物理和數(shù)學的興趣和天賦，這也使他以優(yōu)異成績考入北京市重點高中，之后更為他開啟了前往清華大學物理系的求學生涯。

“天行健，君子以自強不息”。在清華優(yōu)良學風的熏陶下，求知若渴的張進宇沉浸在知識的海洋中汲取力量。課余時間，數(shù)學系的課堂上也常常能看到他的身影。本科畢業(yè)時，勤奮的他不僅獲得直博機會繼續(xù)深造，同時也取得了數(shù)學系的輔修學位。

博士階段時，在原子核物理領域學有所成的他，一直深深困惑于描述原子核質子和中子的唯象理論，那些說不清道不明的參數(shù)使一些物理研究變成了參數(shù)擬合。研究新的物理機理的時候，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，張進宇的這個想法受到富士通研究開發(fā)中心有限公司蓮尾信也（一位日本超導領域的專家）總經(jīng)理的認同，從此張進宇便以高級工程師的身份轉到微電子領域，開始了原子級仿真工作的研究。關于原子級仿真，張進宇這樣解釋道：“相當于在研究物質或者某一種物理機制的時候，我們嘗試探索它的每個原子的運動，通過原子的運動來得到一些宏觀的性質?！蹦軌驈氖伦约合矏鄣墓ぷ鳎屓烁蓜攀?。他每天都花費大量時間去推導數(shù)學公式，再去編程驗證。在旁人看來枯燥深奧的工作，他一干就是8年。期間他還與北京大學微電子所的老師們合作，嘗試從原子級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理。

然而，純學術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，但離實現(xiàn)成果轉化的目標還有一定差距，公司最終還是取消了這一方向的研究?！吧街厮畯鸵蔁o路，柳暗花明又一村”。正是這次研究受阻，也使張進宇反思，用他自己的話說就是：“那完全就是一個自我否定的過程?！倍@次轉折也成為他重回母校、全身心浸潤科學研究的契機。

回歸高校 喜結碩果

是金子在哪里都會發(fā)光。憑借扎實的理論基礎，豐富的實踐經(jīng)驗，張進宇回到母校，擔任清華微電子所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下，開啟了他在微電子領域科研的新征程。

加入清華后，他的研究聚焦于對微電子納米級的器件和工藝進行仿真和建模。在微電子領域有一條“金科玉律”——摩爾定律，即集成電路上被集成的晶體管數(shù)目，會以每18個月翻一番的速度穩(wěn)定增長。而當今驅動微納電子技術發(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。尤其是溝道物理長度為5納米的MOSFET的成功制備、石墨烯等多種二維半導體材料的應用，更是給現(xiàn)有物理模型、數(shù)值方法和器件模型帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

無限風光在險峰，哪里有挑戰(zhàn)哪里就有機遇。當CMOS電路進入納米技術節(jié)點后，功耗就成為大規(guī)模集成電路設計領域繼高性能、小面積后的關鍵性問題。依靠對前沿科學問題的敏銳嗅覺，對科研工作的執(zhí)著熱情，2013年，張進宇作為課題負責人擔負起了原“973”計劃中“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)過北京大學、清華大學的課題組全體人員的密切合作和不懈努力，他們在新結構與低功耗新原理器件的模擬、優(yōu)化設計與建模等方面開展了極富創(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產(chǎn)權的適于亞16納米及新型邏輯器性能評估及設計的多層次納米電子器件模擬器。從而大大提升了我國在半導體器件模型、模擬領域的研究水平和競爭力，也在國際微電子領域獲得了較高的知名度和評價。

而在納米器件方面，張進宇的研究也取得了不俗的成績。他從第一性原理出發(fā)，提出了計算CNT和金屬接觸的肖特基勢壘的新模型，改進了傳統(tǒng)模型的局限性，同時還預測了相應晶體管的性能。其相關成果已在微電子領域的頂會IEDM上發(fā)表，填補了國內在該項會議上模型和模擬領域的空白。在新型阻變存儲器的研究中，他們采用原子級仿真的方法，發(fā)表了多篇阻變存儲器導電細絲在外電場下生長的過程，從微觀圖像上讓人們更好地認識阻變存儲器的工作機理。

過往經(jīng)驗皆是財富，它會啟迪人們從不同的視角看問題。在企業(yè)研究的經(jīng)驗使張進宇對科研目的多了一份思考?！氨热缡┑刃虏牧系难芯浚m能發(fā)出比較好的文章，但事實上對科學進步的貢獻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。

之后在和王燕教授及葉佐昌教授一起，張進宇開始了“集成電路建模與仿真關鍵技術”項目的研究。他們圍繞工藝波動下器件性能的表征方法及成品率預測研究、新型納米器件的仿真方法研究等3個問題展開研究。經(jīng)過無數(shù)個日夜奮戰(zhàn)，克難攻關，最終取得了新型的集成電路統(tǒng)計測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”的，目前已應用于北京華大九天軟件有限公司等多個企業(yè)的生產(chǎn)中，創(chuàng)造產(chǎn)值共約3000萬元。成功實現(xiàn)產(chǎn)學研轉化，也使該項目獲得2018年度中國仿真學會科學技術獎科技進步類一等獎。

春風化雨 潤物無聲

除了科研工作，張進宇還承擔著本科生和碩士生的教學任務。談到教學工作，在他攻讀博士時導師孫洪洲教授的教學方法讓他記憶猶新。“師者，傳道授業(yè)解惑者也?！睘槿藥煴?，最重傳道?！爱敃r孫先生并不是簡單地向學生布置任務，而是先親自推導出大量的公式，再讓學生們去幫他驗算。他通過這種方法讓學生們弄明白了如何去研究，可謂用心良苦?！睆堖M宇說。

親力親為的做法，踏實嚴謹?shù)淖黠L讓張進宇受益匪淺。如今他在教學中亦是如此。無論是讀文獻、做實驗，或是寫程序，學生們做什么他都會親自操作，而不是僅憑經(jīng)驗去指導。“尤其是前沿性的課題，老師自己也未必清楚。當和學生討論時，如果只說一些概念性的東西，指導作用就不強?！爆F(xiàn)在他的學生們也取得了優(yōu)異成績，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，還有多名同學獲得國家獎學金。這是對他悉心教導的最好回報。

毛竹剛種下的頭4年，即使得到精心照顧，也只不過長3厘米，一切努力看似徒勞。但從第5年開始，已廣泛扎根的毛竹會以每天30厘米的速度生長，短時間內就能變成郁郁蔥蔥的竹林。這與科研很相似，成果的取得沒有捷徑，短期內也不一定能看到成效，需要持之以恒地付出。芯片設計也是如此，起初的研究需要花費大量人力財力，但一旦掌握就可避免受制于人。就如張進宇所說：“如果想把一件事做好，就得長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，那么成果也會打折扣?！币褟氖露嗄暄芯抗ぷ鞯乃?，也正像毛竹一樣，把踏實科研的根深深地扎向土地，并靜心等待著未來那一片郁郁蔥蔥的豐收的竹林。