打破物理极限的1纳米晶体管诞生

台积电共同CEO刘德音先前在出席活动时才透露，目前已组成团队着手 3 纳米研发，业界一片惊奇，而且现在不只 3 纳米，1 纳米也来了！

据外媒报道，劳伦斯伯克利国家实验室的 Ali Javey团队打破了物理极限，将现有最精尖的晶体管栅极线宽从14nm缩减到了1nm，长度大约是人类头发的十万分之一。

晶体管的工艺大小一直是计算技术进步的硬指标。晶体管越小，同样体积的芯片上就能集成更多，这样一来处理器的性能和功耗都能会获得巨大进步。多年以来， 技术的发展都在遵循摩尔定律，即当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元 所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。眼下，我们使用的主流芯片工艺为14nm，而明年，整个业界就将开始向10nm工艺发展。

不过放眼未来，摩尔定律开始有些失灵了，因为从芯片的制造来看，5nm就是物理极限，这大约是当前市面上高端20纳米栅极晶体管的1/4。一旦晶体管大小低于这一数字，它们在物理形态上就会非常集中，以至于产生量子隧穿效应，为芯片制造带来巨大挑战。因此，业界普遍认为，想解决这一问题就必须突破现有的逻辑门电路设计，让电子能持续在各个逻辑门之间穿梭。

此前，英特尔等芯片巨头表示它们将寻找能替代硅的新原料来制作7nm晶体管，现在劳伦斯伯克利国家实验室走在了前面，它们的1nm晶体管由纳米碳管和二硫化钼(MoS2)制作而成。1 纳米大约是 2～3 个原子直径，而纳米碳管管壁管壁仅一个原子厚，早已被视为有望取代硅，借以提升电晶体性能、超越摩尔定律的关键材料。

常被作为引擎润滑油主要成分的二硫化钼（MoS2）近年也被视为新兴材料广泛应用于纳米晶体管、LED、激光与太阳能电池，也成了此次研究成功的重要关键要素，将担起原本半导体的职责，而纳米碳管则负责控制逻辑门中电子的流向。

场效晶体管透过漏极、源极间电流的流动与栅极的控制形成 0 或 1 的数字信号，而纳米工艺所指的线宽就是栅极长度。电子透过硅的流动比二硫化钼更轻、阻力更小，这对闸极长度在 5 纳米或线宽更长时是优点，但在 5 纳米线宽以下，却会出现量子力学里所谓的量子穿隧效应，部分电子可能穿透闸极产生漏电流，甚至让电晶体整个无法关闭造成失控。但透过二硫化钼较硅来得重的特性，在较小线宽之下，还能有效控制电子流。

不过这一研究还停留在初级阶段，毕竟在14nm 的工艺下，一个模具上就有超过10亿个晶体管，而要将晶体管缩小到1nm，大规模量产的困难有些过于巨大。Ali Javey 自己也指出，该实验尚未转移至芯片上、将其放大数十亿倍。不过，这一研究依然具有非常重要的指导意义，这是一个启发，摩尔定律不会只停在 5 纳米，透过半导体新材料的应用与持续的研究，摩尔定律或将能延续下去。

这项研究同时也发布于 6 日最新发行的《科学（Science）》期刊。

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