王凱：后摩爾時(shí)代微電子領(lǐng)域的“尋寶人”

□ 李 剛

專家簡(jiǎn)介：

王凱，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院教授，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系兼職教授，博士生導(dǎo)師，廣東順德中山大學(xué)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)國(guó)際聯(lián)合研究院教授，研究員。2000年7月畢業(yè)于華中科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，2003年7月畢業(yè)于大連理工大學(xué)獲碩士學(xué)位，2008年5月畢業(yè)于加拿大滑鐵盧大學(xué)，獲電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)博士學(xué)位。同年，獲得加拿大國(guó)家自然科學(xué)與工程研究協(xié)會(huì)博士后基金，加入加拿大Thunder Bay健康醫(yī)學(xué)中心，主持及參與了X射線成像探測(cè)器、生物醫(yī)學(xué)成像器件和傳感技術(shù)等多個(gè)研究項(xiàng)目。2011年7月，作為高級(jí)硬件研發(fā)工程師加入蘋果公司（美國(guó)），從事觸控和人機(jī)界面產(chǎn)品研究工作，并深度參與了iPhone、iPad和iMac等系列產(chǎn)品的開發(fā)。2013年12月，加入中山大學(xué)，專門從事生物醫(yī)學(xué)成像器件、生物傳感器和執(zhí)行器以及大面積電子學(xué)方面的教學(xué)和研究工作。目前，已經(jīng)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文30篇、國(guó)際會(huì)議論文30余篇；申請(qǐng)發(fā)明專利20項(xiàng)，授權(quán)9項(xiàng)。曾擔(dān)任IEEE／OSA Journal of Display Technology編委。

1965年，英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾將他觀察的結(jié)果發(fā)表在當(dāng)年第35期《電子》雜志上，在文章里，摩爾天才地預(yù)言道：集成電路上被集成的晶體管數(shù)目，將會(huì)以每18個(gè)月翻一番的速度穩(wěn)定增長(zhǎng)，并在今后數(shù)十年內(nèi)保持著這種勢(shì)頭。摩爾所做的這個(gè)預(yù)言，雖然只有3頁紙的篇幅，但卻是迄今為止半導(dǎo)體歷史上最具意義的論文。該言論被人譽(yù)為“摩爾定律”。長(zhǎng)期以來這一定律成為電子制造產(chǎn)業(yè)鏈的“金科玉律”，并使計(jì)算機(jī)的發(fā)展成為一列停不下來的火車。

然而，在計(jì)算機(jī)體積小型化日趨極端的今天，處理器芯片的物理空間即將被壓榨殆盡，這一“金科玉律”該走向何處，才能夠持續(xù)不斷地提高計(jì)算機(jī)的性能？延續(xù)摩爾定律與超越摩爾定律是摩爾定律走出困境的出路。中山大學(xué)電信學(xué)院教授王凱，一直在超越摩爾定律領(lǐng)域探索。他說，未來是以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能為代表的數(shù)據(jù)時(shí)代。那么身處數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)從哪里來？這得需要先進(jìn)的傳感器件與設(shè)備去采集數(shù)據(jù)。現(xiàn)在他主要的研究工作就是設(shè)計(jì)一些這樣的器件，再到傳感成像、人工智能等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。同時(shí)，這也是超越摩爾定律的殺手锏。

從工業(yè)界轉(zhuǎn)戰(zhàn)學(xué)術(shù)界

“我是學(xué)工科出身的，選擇中山大學(xué)，主要是因?yàn)橹槿沁@個(gè)地方有雄厚的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，即使內(nèi)地有高校給我提供100萬的年薪，我也未必會(huì)去，因?yàn)闆]有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，就相當(dāng)于沒有土壤讓你發(fā)展。”王凱如是解釋當(dāng)初回國(guó)加盟中山大學(xué)的原因。

作為留學(xué)歸國(guó)人員，王凱2013年末入職中山大學(xué)，回國(guó)之前他曾分別在加拿大Thunder Bay健康科學(xué)中心和美國(guó)蘋果公司工作。對(duì)王凱來說，平臺(tái)是施展才能的基礎(chǔ)，只有平臺(tái)夠?qū)拸V，才能使自己的價(jià)值得到最大限度的發(fā)揮。中山大學(xué)有雄厚的科研條件，又地處珠江三角洲，有強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)集群，所以，這里是他人生舞臺(tái)的最佳選擇。

海闊憑魚躍，天高任鳥飛。從加入中山大學(xué)開始，王凱就專門從事生物醫(yī)學(xué)成像器件、生物傳感器和執(zhí)行器以及大面積電子學(xué)方面的教學(xué)和研究工作，對(duì)超越摩爾定律進(jìn)行無止境的探索。而此前在國(guó)外工作期間，始終追求卓越的王凱，早已積淀豐厚。

博士畢業(yè)后，王凱加入加拿大Thunder Bay健康科學(xué)中心，主持并參與了X射線成像探測(cè)器、生物醫(yī)學(xué)成像器件和傳感技術(shù)等多個(gè)研究項(xiàng)目，首次提出了利用橫向光電導(dǎo)器件配合薄膜晶體管實(shí)現(xiàn)數(shù)字平板X射線成像的理念，并結(jié)合在薄膜電子器件領(lǐng)域的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，提出了合理的制備工藝和系統(tǒng)集成方案，成功設(shè)計(jì)和制備了世界上第一個(gè)利用橫向光電導(dǎo)器件進(jìn)行間接X射線探測(cè)的成像陣列。該成果被Medical Physics Web（IOP醫(yī)學(xué)物理專業(yè)門戶網(wǎng)站）報(bào)道，并受到了業(yè)界廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是當(dāng)今數(shù)字平板X射線探測(cè)器領(lǐng)域的3大主要技術(shù)之一，2013年該成果已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)轉(zhuǎn)移，成為加拿大KA Imaging公司的探測(cè)器核心技術(shù)之一。作為一名工程師，王凱在鉆研基礎(chǔ)理論解決科學(xué)問題的同時(shí)，還對(duì)產(chǎn)品的開發(fā)傾注了極大的熱情。在美國(guó)蘋果公司總部擔(dān)任高級(jí)研發(fā)工程師期間，王凱主持及參與了多點(diǎn)電容式觸摸屏和iMac保護(hù)玻璃用多層抗反射薄膜等項(xiàng)目，申請(qǐng)多項(xiàng)發(fā)明專利，兩次獲得蘋果公司專利申請(qǐng)獎(jiǎng)。

在數(shù)字平板X射線成像、信息顯示和觸控、生物醫(yī)學(xué)傳感器等領(lǐng)域積累了極為豐富的研究經(jīng)驗(yàn)和工業(yè)界經(jīng)驗(yàn)之后，王凱來到中山大學(xué)，又站在了新的起點(diǎn)上，從“零”開始，再度出發(fā)。通過不斷探索，他和研究團(tuán)隊(duì)首次提出了雙柵極光電薄膜晶體管“智能”像素的概念。他告訴記者，這一研究將降低X射線對(duì)于病人尤其是兒童和嬰幼兒群體的輻射致癌風(fēng)險(xiǎn)，成為低劑量數(shù)字X射線成像研究領(lǐng)域的新突破。現(xiàn)在，他和團(tuán)隊(duì)正與工業(yè)界合作，為使該項(xiàng)研究成果“落地開花”而努力。

開拓像素新天地

像素不僅僅只是負(fù)責(zé)顯示，未來，它還可以讓人們?cè)谶M(jìn)行X光、C T成像時(shí)，接受的輻射量大大減少；還可以讓手機(jī)不需要額外安置獨(dú)立的光學(xué)指紋傳感器，也不需要執(zhí)行特殊的掃描指紋動(dòng)作，直接按屏幕就能完成解鎖。這些新技術(shù)領(lǐng)域，便是王凱與團(tuán)隊(duì)正在探索的方向。

團(tuán)隊(duì)參加首屆高校高科技成果交易會(huì)

他說，自倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，X射線放射影像已經(jīng)成為疾病診斷的重要工具之一。經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，X射線經(jīng)歷了由膠片到數(shù)字成像的演變。如今，非晶硅數(shù)字平板X射線探測(cè)器已成為放射影像技術(shù)領(lǐng)域最重要的研究方向之一。而在數(shù)字X射線成像系統(tǒng)中，像素是其最基本的構(gòu)成單元。目前，無論是無源還是有源像素技術(shù)，其電路均采用信號(hào)感應(yīng)、信號(hào)存儲(chǔ)及信號(hào)讀取三元分立的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)雖增加了像素面積，但降低了像素的分辨率。

“目前國(guó)內(nèi)外所有像素架構(gòu)無一例外地采用了信號(hào)采集、儲(chǔ)存和讀取彼此獨(dú)立的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)既需要較大像素面積，又不利于信號(hào)有效傳輸。然而迄今為止，還沒有出現(xiàn)一種將三者集成在一起的像素設(shè)計(jì)。同時(shí)，至今也沒有一種兼顧有源和無源像素技術(shù)優(yōu)點(diǎn)同時(shí)克服兩者缺點(diǎn)的像素設(shè)計(jì)。”王凱如是說。

為解決X射線放射影像的技術(shù)痛點(diǎn)，王凱團(tuán)隊(duì)以像素技術(shù)為突破口，在國(guó)際上首次提出利用雙柵極光電薄膜晶體管這一新穎的光電感應(yīng)器件進(jìn)行間接X射線探測(cè)的技術(shù)，并得到了國(guó)家科學(xué)自然基金面上項(xiàng)目和科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。國(guó)家科學(xué)自然基金面上項(xiàng)目“用于低劑量X射線成像的雙柵極光電薄膜晶體管‘智能’像素的研究”以及2016年立項(xiàng)的科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題項(xiàng)目便是王凱對(duì)其的探索。該技術(shù)的核心是將傳統(tǒng)像素里的信號(hào)感應(yīng)、存儲(chǔ)和讀取三者集成在一個(gè)雙柵極光電薄膜晶體管中。

由單個(gè)雙柵極光電薄膜晶體管構(gòu)成的像素被王凱稱為“智能”像素。“智能”像素具有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括簡(jiǎn)化像素電路、節(jié)省像素空間、提高分辨率、簡(jiǎn)化制備工藝以及降低生產(chǎn)成本等。尤為重要的是，它還可以利用自身的信號(hào)放大功能，實(shí)現(xiàn)單一薄膜晶體管的有源像素技術(shù)，為研究和開發(fā)低劑量和高靈敏度X射線成像系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，對(duì)降低病人尤其是兒童輻射致癌風(fēng)險(xiǎn)具有深遠(yuǎn)的意義。

在項(xiàng)目研究中，王凱團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)雙柵極薄膜晶體管的基礎(chǔ)上，對(duì)器件結(jié)構(gòu)和制備工藝進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)開關(guān)、光電感應(yīng)和信號(hào)放大等多種功能。“以往的研究還表明，非晶硅雙柵極薄膜晶體管具有比單柵極薄膜晶體管更好的電學(xué)穩(wěn)定性，可以克服或緩解非晶硅薄膜晶體管自身嚴(yán)重的不穩(wěn)定性問題。因此，該項(xiàng)目研究的目的恰恰是為了探索具有光電感應(yīng)功能的非晶硅雙柵極薄膜晶體管在低劑量X射線成像領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為低劑量X射線成像提供一個(gè)全新的有源像素解決方案，為我國(guó)自主研發(fā)高性能和低劑量的新型數(shù)字平板X射線成像系統(tǒng)作出貢獻(xiàn)。”王凱說。

在超越摩爾定律里“尋寶”

有人說，做科研就像海灘尋寶。如果你撿貝殼，那你一輩子就停留在這樣一個(gè)高度。如果你找準(zhǔn)了地方，深挖下去就能撿到珍珠。

對(duì)王凱來說，用超越摩爾定律對(duì)電子器件進(jìn)行探索，就是在沙地里尋找到的珍珠。在他看來，在大數(shù)據(jù)蓬勃發(fā)展的時(shí)代下，超越摩爾定律電子器件應(yīng)用尚待開發(fā)，有著廣闊的應(yīng)用前景。他要搭乘時(shí)代發(fā)展的快速列車，為自己的研究領(lǐng)域開拓一片嶄新的天地。因此，在“用于低劑量X射線成像的雙柵極光電薄膜晶體管‘智能’像素的研究”項(xiàng)目之上，王凱又申請(qǐng)了另一國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“有源混合集成薄膜電子器件及其在超越摩爾定律微電子中的應(yīng)用研究”。

微電子學(xué)現(xiàn)已步入后摩爾時(shí)代，以成像器件、傳感器、生物芯片和類神經(jīng)形態(tài)器件等為代表的超越摩爾定律微電子是后摩爾時(shí)代微電子學(xué)的兩個(gè)重要研究方向。王凱說，超越摩爾定律微電子器件大多是模擬器件，關(guān)注的是人與環(huán)境交互的一系列應(yīng)用，比如傳感器、IOTs、機(jī)器人和人工智能。他相信，未來這方面的需求量巨大。然而，如何滿足多樣化的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本、大規(guī)模制備工藝和混合集成等阻礙是其發(fā)展的一大挑戰(zhàn)。

目前，多數(shù)的超越摩爾定律器件是基于CMOS技術(shù)或是MEMS技術(shù)的有源混合集成器件。這些器件一般先通過分立的元件或電路實(shí)現(xiàn)，如傳感、開關(guān)等功能單元，然后再通過系統(tǒng)級(jí)封裝形成一個(gè)系統(tǒng)。隨著未來對(duì)超越摩爾定律器件的海量需求，無論是CMOS技術(shù)還是MEMS技術(shù)，在產(chǎn)能、成本和工藝兼容性方面都面臨著巨大的挑戰(zhàn)，而薄膜晶體管技術(shù)則有望成為解決這一問題的“利劍”。

王凱說“薄膜晶體管在信息顯示領(lǐng)域已經(jīng)得到了十分廣泛的應(yīng)用，然而其在超越摩爾定律微電子的應(yīng)用上還有待開發(fā)。因此，研究基于薄膜晶體管技術(shù)的有源混合集成薄膜器件并拓展其在超越摩爾定律微電子中的應(yīng)用具有十分重要的意義”。而要實(shí)現(xiàn)薄膜晶體管技術(shù)在超越摩爾定律微電子的應(yīng)用上，他說，必須在器件結(jié)構(gòu)和工作原理上進(jìn)行創(chuàng)新。因而，在項(xiàng)目研究中，王凱提出基于三維結(jié)構(gòu)場(chǎng)耦合雙柵薄膜晶體管的有源混合集成器件，并試圖從結(jié)構(gòu)、物理和工藝以及應(yīng)用3個(gè)層面的研究來解決上述關(guān)鍵共性問題，拓展薄膜晶體管技術(shù)在超越摩爾定律微電子領(lǐng)域的應(yīng)用。

在展開該項(xiàng)目研究之前，王凱在集成薄膜器件研究中進(jìn)行了深入研究，分別設(shè)計(jì)了三維溝道結(jié)構(gòu)雙柵薄膜晶體管與三維立體結(jié)構(gòu)雙柵薄膜晶體管，并建立了場(chǎng)耦合雙柵薄膜晶體管的器件物理模型和等效電路模型等，以這些研究成果為積淀，王凱說，項(xiàng)目還可探索其在可穿戴電子領(lǐng)域的作用。

博學(xué)不窮，篤行不倦。王凱在教學(xué)上也用心付出。在學(xué)生培養(yǎng)上，他說，要以“興趣”為先導(dǎo)，以“動(dòng)手”為重點(diǎn)，讓學(xué)生實(shí)實(shí)在在去做事，讓他們?cè)谧龅倪^程中不但要知其然，更要知其所以然。付出終會(huì)有收獲。在王凱的指導(dǎo)下，2017年他的學(xué)生在中國(guó)機(jī)器人及人工智能大賽中斬獲“機(jī)器人創(chuàng)新比賽”項(xiàng)目一等獎(jiǎng)。

在采訪中，談到對(duì)高校的評(píng)價(jià)體系上，王凱也發(fā)表了自己的看法。在他看來，高校的學(xué)術(shù)評(píng)價(jià)體系也因應(yīng)時(shí)而變。對(duì)于不同的學(xué)科應(yīng)該有一個(gè)多樣性的人才評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。這樣也許會(huì)營(yíng)造出更加自由、良好的學(xué)術(shù)氛圍。

過往的經(jīng)歷都會(huì)成為前進(jìn)途中的一筆財(cái)富。在美國(guó)蘋果公司從事產(chǎn)品開發(fā)的經(jīng)歷，現(xiàn)在也成為王凱的一筆巨大財(cái)富。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的雙重背景使王凱對(duì)產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化和技術(shù)轉(zhuǎn)移有了更深的認(rèn)識(shí)。他說：“從做產(chǎn)品回歸到學(xué)術(shù)研究，讓我對(duì)項(xiàng)目的選擇更‘直截了當(dāng)’了。在選擇項(xiàng)目的時(shí)候，我會(huì)更多地考慮技術(shù)的應(yīng)用前景，以及產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)難度，不會(huì)為了研究而研究。很多研究不需要去隨波逐流，每個(gè)領(lǐng)域都是一座金礦，都值得去開發(fā)。”現(xiàn)在，王凱在最初選擇的“舞臺(tái)上”，踐行初心，在新的時(shí)代下，他將以最飽滿的熱情最昂揚(yáng)的姿態(tài)在超越摩爾定律中勇往直前。