年輕的巡禮者

肖貞林

王潤聲（右）在美國接受IEEE獎項(xiàng)并與電子器件協(xié)會（EDS）主席合影

2013年，美國IEEE電子器件青年科學(xué)家獎（IEEE EDS Early Career Award）公布獲獎名單，一位中國青年學(xué)者的名字出現(xiàn)在其中，他就是北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授王潤聲。

IEEE（電氣電子工程師協(xié)會）有五十多年歷史。多年來，該協(xié)會一直致力于推動電子和信息技術(shù)在理論發(fā)展和應(yīng)用方面的進(jìn)步，它被認(rèn)為是科技革新的催化劑，也是太空、計(jì)算機(jī)、生物醫(yī)學(xué)、電氣及電子工程領(lǐng)域的權(quán)威組織。

經(jīng)過了推薦、提名、網(wǎng)評、專家討論等考核環(huán)節(jié)后，王潤聲成為IEEE該獎項(xiàng)歷史上首位來自非美國機(jī)構(gòu)的獲獎?wù)?。“學(xué)校和實(shí)驗(yàn)室的平臺好，加上近期國家對科研項(xiàng)目的支持力度很大，甚至一些美國同行也都羨慕我們?！蓖鯘櫬曊f，“只要平臺是良性發(fā)展的、機(jī)制是不斷完善的，換作其他科學(xué)家，也一樣能取得成果、獲得獎勵?！?/p>

在王潤聲尚年輕的學(xué)術(shù)生涯中，IEEE電子器件青年科學(xué)家獎是重要節(jié)點(diǎn)，直接促使他在半導(dǎo)體新器件研究領(lǐng)域的地位更加令人關(guān)注。對于這個(gè)風(fēng)華正茂的年輕學(xué)者來說，一場在晶體管研究領(lǐng)域的漫長巡禮才剛剛開始。

北大人的成長

王潤聲是北大“土著”，從小成績優(yōu)秀，是令人艷羨的“別人家的孩子”。起初，王潤聲的興趣是物理學(xué)，但當(dāng)年北大物理系在安徽不招收高考生，考慮到當(dāng)時(shí)物理系與微電子系有部分課程交叉共享，王潤聲因此認(rèn)為，由微電子專業(yè)轉(zhuǎn)向物理專業(yè)應(yīng)該“比較容易”。憑借這個(gè)樸素的判斷，王潤聲憧憬著一個(gè)物理學(xué)家的夢，成了北京大學(xué)2001級微電子專業(yè)的學(xué)生。然而，此后一直到他讀博乃至后來成為北大老師，他卻都沒有再換專業(yè)，反倒在微電子的路上越走越遠(yuǎn)。

王潤聲是他這一代青年科學(xué)家成長之路的典型代表：少了許多國家計(jì)劃層面的約束，基本可以輕松自由地選擇發(fā)展方向。他聰明，興趣廣，喜歡對新鮮事物躍躍欲試。在北大，他擔(dān)任了一年的乒乓球協(xié)會會長，后來又加入了學(xué)校網(wǎng)球隊(duì)。這時(shí)，王潤聲常常思考的問題是，“我的專業(yè)究竟有什么用？未來有什么發(fā)展？”那是青年學(xué)子一個(gè)迷茫善變的階段，他的目標(biāo)不再局限于轉(zhuǎn)戰(zhàn)物理專業(yè)，還專門用了大半年時(shí)間跑到中文系聽課，甚至還打算考到中文系讀研。他困惑于選擇，思考一條最適合自己的專業(yè)之路。

回憶起那段日子，王潤聲說，人之所以對一件事情感興趣，也許是因?yàn)椴挥妹鎸θ魏螇毫?，可以自由地做，因?yàn)槟悴槐匾蕾囘@些有創(chuàng)造性的業(yè)余愛好來謀生。但是，如果把興趣變成工作，你的愛好受到了物質(zhì)刺激，也許會發(fā)現(xiàn)自己逐漸不那么喜歡做這些事了。愛好也不再是用來放松頭腦的富有創(chuàng)造性的追求，它變成了養(yǎng)家糊口的工具。而這些壓力最終會充滿抱怨與不滿，最后你會發(fā)現(xiàn)自己不但沒有工作好，還失去了一個(gè)愛好。正如麥克勞德告誡我們的：不要把自己在閑暇時(shí)的消遣變成從早八點(diǎn)到晚五點(diǎn)要做的正常工作。經(jīng)過一番深思熟慮，王潤聲徹底打消了轉(zhuǎn)專業(yè)的念頭，繼續(xù)學(xué)習(xí)微電子學(xué)。

2005年，王潤聲獲推免資格，成為北大微電子專業(yè)碩士生。王潤聲的導(dǎo)師、時(shí)任系主任的黃如教授是微納電子學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威學(xué)者。在她的影響和指導(dǎo)下，王潤聲開啟了一段全新的科研之旅。不久后，他的論文先后在學(xué)科頂級期刊TED和頂級會議IEDM上發(fā)表，當(dāng)時(shí)這在學(xué)生中尚屬罕見。黃如發(fā)現(xiàn)了他的天賦和科研潛力，著意栽培他;于是，王潤聲選擇繼續(xù)攻讀微電子學(xué)與固體電子學(xué)的博士學(xué)位。

2008年，國家通過教育部“國家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生計(jì)劃”向國外輸送第二批公派研究生，王潤聲也是其中的一員。他訪問的是美國普渡大學(xué)（Purdue University）電子與計(jì)算機(jī)工程（ECE）學(xué)院。普渡大學(xué)的微電子專業(yè)在全美排名靠前，并且很早就與北京大學(xué)建立了交流關(guān)系。“我是國內(nèi)培養(yǎng)的‘土鱉，但在美國，我發(fā)現(xiàn)國內(nèi)微電子領(lǐng)域研究條件其實(shí)不錯;與國外同行相比，發(fā)現(xiàn)自己的專業(yè)水平也不錯。這說明我們國家自己培養(yǎng)的科研人員并不比別人差，因此我對自己更有信心了?！蓖鯘櫬曊f。

因?yàn)樾南祰鴥?nèi)未完成的研究項(xiàng)目，王潤聲在普渡大學(xué)訪問一年后回到北大，于2010年4月師從王陽元院士進(jìn)入博士后流動站深造，并得到了中國博士后基金的特別資助。2012年3月，王潤聲被聘為北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院講師。至此，他由一名北大學(xué)生變成了北大的老師，成為一名“徹底”的北大人。

瓶頸與變革

王潤聲認(rèn)為，微電子學(xué)科發(fā)展正處于瓶頸期。最突出的表現(xiàn)是，不論個(gè)人電腦、移動通信，還是智能手機(jī)，制造商都在拼功耗，因?yàn)楣氖悄壳白畲蟮碾y題?！笆裁磿r(shí)候一塊手機(jī)電池能用一周？”王潤聲最大的愿望，就是在晶體管器件層面創(chuàng)新，做出更好的晶體管。“產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展不能停滯，否則就變成了傳統(tǒng)行業(yè)。”

“瓶頸就意味著新的變革即將產(chǎn)生。”王潤聲的主要工作是新型晶體管研究，這需要同時(shí)透徹了解電子學(xué)和物理學(xué)，并且及時(shí)跟進(jìn)行業(yè)前沿最新成果。近年來，以英特爾、IBM、臺積電等巨頭為代表的微納電子新技術(shù)在行業(yè)內(nèi)持續(xù)發(fā)布，產(chǎn)品功耗不斷降低。“對未來，5年后、10年后的技術(shù)，該如何設(shè)計(jì)、如何制作，如何在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新？這是我們思考的主要問題。”王潤聲說。

2014年，王潤聲的“新型低功耗多柵MOS器件的實(shí)驗(yàn)與理論研究”獲2014年教育部高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)獎自然科學(xué)一等獎，個(gè)人排名第二。這是一項(xiàng)適用于未來集成電路技術(shù)的研究，揭示了納米尺度多柵器件中的系列特殊物理現(xiàn)象及根源，提出了新的實(shí)驗(yàn)與特性表征方法，并延拓了低功耗應(yīng)用能力，得到了國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。

根據(jù)王潤聲介紹，在技術(shù)層面降低晶體管的功耗，主要有三個(gè)方面的變革：一是做新的器件結(jié)構(gòu)，二是用更合適的材料替換原有材料，三是改變其工作原理。王潤聲從本科畢業(yè)論文即開始針對新結(jié)構(gòu)器件展開研究。他告訴記者，這方面最有代表性的一項(xiàng)成果是從英特爾22納米技術(shù)代的CPU芯片開始采用的三維晶體管，業(yè)內(nèi)叫做FinFET，外形像魚鰭（Fin）一樣，所以叫作鰭式晶體管;這種結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的靜電學(xué)控制能力，從而功耗很低。新材料方面，從英特爾45納米技術(shù)代開始，業(yè)界采用氧化鉿取代了傳統(tǒng)的氧化硅作為柵極絕緣介質(zhì)材料，從而大大降低了柵極泄漏電流產(chǎn)生的功耗。新原理方面，目前北大正在研究利用量子力學(xué)隧穿原理改進(jìn)原有晶體管的開關(guān)機(jī)制，以期從物理本質(zhì)上進(jìn)一步降低器件功耗。

后摩爾時(shí)代的創(chuàng)新

晶體管在傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品應(yīng)用中，遵循著名的“摩爾定律”不斷地等比例縮小以提高集成度，但如前所述，現(xiàn)在已經(jīng)遇到了發(fā)展瓶頸。在后摩爾時(shí)代，除了傳統(tǒng)的應(yīng)用，晶體管還可以在物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、生物醫(yī)療（比如可穿戴和可植入的芯片）等新應(yīng)用中大展身手。在后摩爾時(shí)代，晶體管該如何創(chuàng)新、如何發(fā)展、如何提高性價(jià)比？王潤聲同黃如教授等組成的團(tuán)隊(duì)針對上述問題做技術(shù)研究，并有中芯國際等多個(gè)大型企業(yè)作為合作對象。“產(chǎn)業(yè)應(yīng)用是我們的最終目的。”王潤聲說，信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，而半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)的基石，它的出現(xiàn)使電子設(shè)備向著微型化、智能化、高性能和低功耗的方向發(fā)展。

像多數(shù)科學(xué)家一樣，王潤聲也時(shí)常陷入困境。比如“有時(shí)會陷入一個(gè)問題，不停地繞圈”，他的經(jīng)驗(yàn)是，這時(shí)不能輕易放棄，堅(jiān)持下去才會有突破?！熬拖翊蚱古仪颉！彼f：“有的時(shí)候，某一階段練球會覺得不僅進(jìn)步緩慢、甚至還有退步，這種情況往往表明是快要‘長球了，再堅(jiān)持一下水平就會有明顯提高?！?/p>

諾貝爾物理學(xué)獎獲得者朱棣文有句話對王潤聲影響很大，“把問題直觀化，吸收理解，才能想出新的東西?！蓖鯘櫬曊f，把復(fù)雜問題簡單化是解決問題最好的捷徑。他說他的很多老師，比如黃如教授也是這種風(fēng)格，她提倡大家解決問題要善于抓住事物的本質(zhì)。

作為大學(xué)教師，王潤聲鼓勵學(xué)生與老師多溝通。他認(rèn)為，學(xué)生與老師自由的思想交流能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)自覺性與創(chuàng)造性;同時(shí)，教學(xué)相長，基礎(chǔ)理論知識與前沿科技聯(lián)系起來，也會為科研提供靈感。