摩尔定律终结了吗？史上最小 1 nm 晶体管将为之续命

 

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《摩尔定律已死，半导体行业发展会停滞吗？》、《摩尔定律这次真的到头了！ 》、《存在 50 年的摩尔定律正在失灵？》……近年来，关于摩尔定律即将走向尽头的报道简直数不胜数，各方专家也纷纷发言表态，支持这一说法。如此看来，这一科技界的铁律真的没有继续生存下去的空间了吗？正当我们为之疑惑叹息之时，计算技术界突然传来了一个好消息：科学家已将晶体管制程从 14 nm缩减到了 1 nm！这样，同样体积的芯片上就能集成更多晶体管，摩尔定律有希望继续它的传奇预言！

这一巨大突破是由劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队完成的。在阿里·加维（Ali Javey）的带领下，他们开发出的新型晶体管栅极线宽只有1纳米。 （很难想象 1 nm到底有多小？以人类的发丝作对比，后者宽度仅为约 5 万纳米。）

 

研究成果

计算机技术界长时间都遵循着摩尔定律，为什么现在人们开始怀疑它不能持续下去了呢？根据物理定律，5 nm被认为是传统半导体栅极线宽的极限，这大约是当前市面上高端 20 纳米栅极晶体管的 1/4 。而如果晶体管太小，分布太集中，就可能会产生量子隧穿效应，这将为芯片制造商带来严峻挑战。

伯克力实验室研究人员苏杰伊-德赛(Sujay Desai)称：“长期以来，半导体行业一直认为，任何小于5纳米的栅极都不可能正常工作。因此，人们之前从未考虑过小于5纳米的栅极。”

 

研究成果

但伯克利实验室却打破传统界限，开发出了栅极仅有 1 nm 的晶体管。

维说：“我们开发出了目前已知最小的晶体管。栅极长度被用于衡量晶体管的规格，我们成功研制出      1 nm 栅极晶体管，这意味着只要所选择的材料适当，当前的电子零部件还有较大缩减空间。 ”

而德赛称：“我们的研究成果表明，让栅极低于 5 nm 并非不可能。 一直以来，人们都是基于硅材料来缩小电子零部件的体积。但我们放弃了硅材料，选了二硫化钼，结果开发出了只有 1 nm 的栅极 。”

硅和二硫化钼都有一个晶格结构，但与二硫化钼相比，通过硅流动的电子更轻，遇到电阻更小。当栅极为5 nm 或更长时，硅材料能发挥它的优势。但栅极长度低于 5 nm 时，就会出现了一种被称为“隧道效应”的量子力学现象，从而阻止电流从源极流到漏极。

德赛解释说：“这意味着我们无法关闭晶体管，电子完全失控了。”而通过二硫化钼流动的电子更重，因此可以通过更短的栅极来控制。

研究成果

选定二硫化钼作为半导体材料后，接下来就需要来建造栅极。但制造 1 nm 的结构并不是一件容易的事，传统的光刻技术并不适用于这样小的规模。 最终，研究人员转向了碳纳米管——直径仅为 1 nm 的空心圆柱管。

经研究人员测试显示，采用碳纳米管栅极的二硫化钼晶体管能够有效控制电子流动。加维说：“这项研究表明，我们的晶体管将不再局限于 5 nm 栅极。通过使用适当的半导体材料和设备架构，摩尔定律还会继续长期生效。”

目前，这一研究还处在初级阶段，《科学》杂志已刊登该项研究成果。虽然这一研究有望大大提升计算机的计算能力，具有十分重要的指导意义，但是，现阶段想要达到大规模量产恐怕还有些困难。毕竟， 在  14 nm 制程下，一个模具上就有超过 10 亿个晶体管，而一下子缩小到 1 nm，芯片制造商们可能还需要一段时间来缓缓神。

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