缘起物理 梦圆清华

李刚

2018年7月，中兴事件尘埃落定。中兴公司最终以向美国缴纳14亿美元的巨额罚款，并更换全部董事会成员等作为代价，使美国商务部取消了近3个月来禁止美国供应商与中兴进行商业往来的禁令。这不仅仅是一次商业事件，这次事件更为中国芯片产业界敲响了警钟。

70多年前，晶体管的发明拉开了人类社会信息化的帷幕。如今，微电子技术已渗透到人类社会的各个方面，成为衡量一个国家综合实力的标志之一。能否把核心技术牢牢握在自己手中，不仅事关产业命运，更关系到国家稳定发展。

拥有自己的核心技术，这是诸多微电子技术研究者的愿望与使命，清华大学（以下简称“清华”）微电子学研究所副教授张进宇，也是这条使命道路上的一名行者。10多年来，他浸身于新材料新工艺、纳米尺寸器件模型及新型储存器等研究，洞幽察微，运用原子级及量子力学第一性原理的模拟方法，去甄别适合于做成微电子纳米级器件的材料，与清华微电子学研究所的伙伴们默默地为中国芯片产业的发展贡献着自己的一份力量。

兴趣驱动 初探研究

人生总有很多机缘，每一次选择都有可能改变命运轮盘的方向。年少时成绩并不突出的张进宇不会想到，有一天他会进入清华大学，在这里学习成长，并把事业的种子播种在这片热土上。

每当回忆起年幼时的自己，谦逊的张进宇总是用“普通”来形容。因父母工作调动的缘故，张进宇很小就来到北京学习和生活。小学、初中读的都是普通学校，一直没有亮眼成绩的他，却在后来展现出对物理和数学的兴趣和天赋，这也使他以优异成绩考入北京市重点高中，之后更为他开启了前往清华大学物理系的求学生涯。

“天行健，君子以自强不息”。在清华优良学风的熏陶下，求知若渴的张进宇沉浸在知识的海洋中汲取力量。课余时间，数学系的课堂上也常常能看到他的身影。本科毕业时，勤奋的他不仅获得直博机会继续深造，同时也取得了数学系的辅修学位。

博士阶段时，在原子核物理领域学有所成的他，一直深深困惑于描述原子核质子和中子的唯象理论，那些说不清道不明的参数使一些物理研究变成了参数拟合。研究新的物理机理的时候，是不是可以从最底层的物理规律出发呢？博士毕业时，张进宇的这个想法受到富士通研究开发中心有限公司莲尾信也（一位日本超导领域的专家）总经理的认同，从此张进宇便以高级工程师的身份转到微电子领域，开始了原子级仿真工作的研究。关于原子级仿真，张进宇这样解释道：“相当于在研究物质或者某一种物理机制的时候，我们尝试探索它的每个原子的运动，通过原子的运动来得到一些宏观的性质。”能够从事自己喜爱的工作，让人干劲十足。他每天都花费大量时间去推导数学公式，再去编程验证。在旁人看来枯燥深奥的工作，他一干就是8年。期间他还与北京大学微电子所的老师们合作，尝试从原子级仿真及第一性原理出发，探索小尺寸器件和工艺的物理机理。

然而，纯学术的理论研究并不是企业的目的。他虽已取得一些科研成果，但离实现成果转化的目标还有一定差距，公司最终还是取消了这一方向的研究。“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”。正是这次研究受阻，也使张进宇反思，用他自己的话说就是：“那完全就是一个自我否定的过程。”而这次转折也成为他重回母校、全身心浸润科学研究的契机。

回归高校 喜结硕果

是金子在哪里都会发光。凭借扎实的理论基础，丰富的实践经验，张进宇回到母校，担任清华微电子所CAD室副主任一职，并在余志平教授、王燕教授等人的悉心指导下，开启了他在微电子领域科研的新征程。

加入清华后，他的研究聚焦于对微电子纳米级的器件和工艺进行仿真和建模。在微电子领域有一条“金科玉律”——摩尔定律，即集成电路上被集成的晶体管数目，会以每18个月翻一番的速度稳定增长。而当今驱动微纳电子技术发展的路径之一就是电子器件在纳米尺度上的小型化，也被称为“延续摩尔定律”，旨在提高性能、降低能耗及成本。尤其是沟道物理长度为5纳米的MOSFET的成功制备、石墨烯等多种二维半导体材料的应用，更是给现有物理模型、数值方法和器件模型帶来了巨大的挑战。

无限风光在险峰，哪里有挑战哪里就有机遇。当CMOS电路进入纳米技术节点后，功耗就成为大规模集成电路设计领域继高性能、小面积后的关键性问题。依靠对前沿科学问题的敏锐嗅觉，对科研工作的执着热情，2013年，张进宇作为课题负责人担负起了原“973”计划中“低功耗器件建模与集成电路功耗分析”课题的科研重任。几年中，经过北京大学、清华大学的课题组全体人员的密切合作和不懈努力，他们在新结构与低功耗新原理器件的模拟、优化设计与建模等方面开展了极富创新性的研究，取得了一系列成果，譬如建立了具有自主知识产权的适于亚16纳米及新型逻辑器性能评估及设计的多层次纳米电子器件模拟器。从而大大提升了我国在半导体器件模型、模拟领域的研究水平和竞争力，也在国际微电子领域获得了较高的知名度和评价。

而在纳米器件方面，张进宇的研究也取得了不俗的成绩。他从第一性原理出发，提出了计算CNT和金属接触的肖特基势垒的新模型，改进了传统模型的局限性，同时还预测了相应晶体管的性能。其相关成果已在微电子领域的顶会IEDM上发表，填补了国内在该项会议上模型和模拟领域的空白。在新型阻变存储器的研究中，他们采用原子级仿真的方法，发表了多篇阻变存储器导电细丝在外电场下生长的过程，从微观图像上让人们更好地认识阻变存储器的工作机理。

过往经验皆是财富，它会启迪人们从不同的视角看问题。在企业研究的经验使张进宇对科研目的多了一份思考。“比如石墨烯等新材料的研究，虽能发出比较好的文章，但事实上对科学进步的贡献可能并不如想象中的大。”如何让科研成果落地就成为他新的奋斗目标。

之后在和王燕教授及叶佐昌教授一起，张进宇开始了“集成电路建模与仿真关键技术”项目的研究。他们围绕工艺波动下器件性能的表征方法及成品率预测研究、新型纳米器件的仿真方法研究等3个问题展开研究。经过无数个日夜奋战，克难攻关，最终取得了新型的集成电路统计测试与分析框架等诸多成果。最令他欣慰的是，这次的研究成果不是“华而不实”的，目前已应用于北京华大九天软件有限公司等多个企业的生产中，创造产值共约3000万元。成功实现产学研转化，也使该项目获得2018年度中国仿真学会科学技术奖科技进步类一等奖。

春风化雨 润物无声

除了科研工作，张进宇还承担着本科生和硕士生的教学任务。谈到教学工作，在他攻读博士时导师孙洪洲教授的教学方法让他记忆犹新。“师者，传道授业解惑者也。”为人师表，最重传道。“当时孙先生并不是简单地向学生布置任务，而是先亲自推导出大量的公式，再让学生们去帮他验算。他通过这种方法让学生们弄明白了如何去研究，可谓用心良苦。”张进宇说。

亲力亲为的做法，踏实严谨的作风让张进宇受益匪浅。如今他在教学中亦是如此。无论是读文献、做实验，或是写程序，学生们做什么他都会亲自操作，而不是仅凭经验去指导。“尤其是前沿性的课题，老师自己也未必清楚。当和学生讨论时，如果只说一些概念性的东西，指导作用就不强。”现在他的学生们也取得了优异成绩，研究生何裕获得2010年优秀硕士论文，研究生朱玮楠获得2012年北京市优秀毕业生及2012年优秀硕士论文，还有多名同学获得国家奖学金。这是对他悉心教导的最好回报。

毛竹刚种下的头4年，即使得到精心照顾，也只不过长3厘米，一切努力看似徒劳。但从第5年开始，已广泛扎根的毛竹会以每天30厘米的速度生长，短时间内就能变成郁郁葱葱的竹林。这与科研很相似，成果的取得没有捷径，短期内也不一定能看到成效，需要持之以恒地付出。芯片设计也是如此，起初的研究需要花费大量人力财力，但一旦掌握就可避免受制于人。就如张进宇所说：“如果想把一件事做好，就得长年累月地在这一方面努力。如果不是很专注地去做一件事情，不是全力投入，那么成果也会打折扣。”已从事多年研究工作的他，也正像毛竹一样，把踏实科研的根深深地扎向土地，并静心等待着未来那一片郁郁葱葱的丰收的竹林。