打破物理極限的1納米晶體管誕生

臺積電共同CEO劉德音先前在出席活動時才透露，目前已組成團隊著手 3 納米研發，業界一片驚奇，而且現在不只 3 納米，1 納米也來了！

據外媒報道，勞倫斯伯克利國家實驗室的 Ali Javey團隊打破了物理極限，將現有最精尖的晶體管柵極線寬從14nm縮減到了1nm，長度大約是人類頭發的十萬分之一。

晶體管的工藝大小一直是計算技術進步的硬指標。晶體管越小，同樣體積的芯片上就能集成更多，這樣一來處理器的性能和功耗都能會獲得巨大進步。多年以來， 技術的發展都在遵循摩爾定律，即當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元 所能買到的電腦性能，將每隔18-24個月翻一倍以上。眼下，我們使用的主流芯片工藝為14nm，而明年，整個業界就將開始向10nm工藝發展。

不過放眼未來，摩爾定律開始有些失靈了，因為從芯片的制造來看，5nm就是物理極限，這大約是當前市面上高端20納米柵極晶體管的1/4。一旦晶體管大小低于這一數字，它們在物理形態上就會非常集中，以至于產生量子隧穿效應，為芯片制造帶來巨大挑戰。因此，業界普遍認為，想解決這一問題就必須突破現有的邏輯門電路設計，讓電子能持續在各個邏輯門之間穿梭。

此前，英特爾等芯片巨頭表示它們將尋找能替代硅的新原料來制作7nm晶體管，現在勞倫斯伯克利國家實驗室走在了前面，它們的1nm晶體管由納米碳管和二硫化鉬(MoS2)制作而成。1 納米大約是 2～3 個原子直徑，而納米碳管管壁管壁僅一個原子厚，早已被視為有望取代硅，借以提升電晶體性能、超越摩爾定律的關鍵材料。

常被作為引擎潤滑油主要成分的二硫化鉬（MoS2）近年也被視為新興材料廣泛應用于納米晶體管、LED、激光與太陽能電池，也成了此次研究成功的重要關鍵要素，將擔起原本半導體的職責，而納米碳管則負責控制邏輯門中電子的流向。

場效晶體管透過漏極、源極間電流的流動與柵極的控制形成 0 或 1 的數字信號，而納米工藝所指的線寬就是柵極長度。電子透過硅的流動比二硫化鉬更輕、阻力更小，這對閘極長度在 5 納米或線寬更長時是優點，但在 5 納米線寬以下，卻會出現量子力學里所謂的量子穿隧效應，部分電子可能穿透閘極產生漏電流，甚至讓電晶體整個無法關閉造成失控。但透過二硫化鉬較硅來得重的特性，在較小線寬之下，還能有效控制電子流。

不過這一研究還停留在初級階段，畢竟在14nm 的工藝下，一個模具上就有超過10億個晶體管，而要將晶體管縮小到1nm，大規模量產的困難有些過于巨大。Ali Javey 自己也指出，該實驗尚未轉移至芯片上、將其放大數十億倍。不過，這一研究依然具有非常重要的指導意義，這是一個啟發，摩爾定律不會只停在 5 納米，透過半導體新材料的應用與持續的研究，摩爾定律或將能延續下去。

這項研究同時也發布于 6 日最新發行的《科學（Science）》期刊。

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