【Science 重磅】世界最小 1 纳米晶体管诞生，新材料拯救摩尔定律？

1 新智元编译 1

来源：Science；phys.org；MIT TR

译者：刘小芹、胡祥杰、闻菲

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　　 【新智元导读】 劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员使用新材料，将晶体管的制程从 14 纳米缩减到了 1 纳米，相关论文已在《科学》发表。 这一研究展示了目前世界上最小的晶体管，推翻了此前认为无法制作出 小于 5 纳米栅极的看法。但是， 这仍然只是一种概念证明， 距离切实可用的产品还有很长的距离。摩尔定律仍然面临终结的威胁，但未来 半导体厂商可以使用类似技术增强芯片的计算力。

　　 过去十年，工程师一直在挑战缩小集成电路元件尺寸的极限。尽管他们知道物理定律为传统半导体的晶体管栅极线宽定了一个5纳米的阈值，大约是现在市面上的高端20纳米栅极晶体管的1/4。现在，这个定律可能要被打破，或至少受到挑战。

　　 使用纳米碳管和 MoS 2 ， 将晶体管制程缩减到 1 纳米

　　 劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）由 Ali Javey 带领的研究团队就正在挑战该物理定律，他们开发了一种新型晶体管，其栅极线宽只有1纳米。作为对比，人类的头发丝宽度大约是50000纳米。

　　 “我们造出了目前为止已知的最小晶体管。”Javey说，他是伯克利实验室材料科学部电子材料项目的主要负责人。“栅极线宽可以定义晶体管的尺寸。我们展示的1纳米栅极晶体管，表明利用适当的材料，在缩小电子元件尺寸上存在更大的空间。”

　　 这项技术的关键是使用碳纳米管和二硫化钼（MoS 2 ），后者是一种汽车配件店常见的发动机润滑剂。MoS 2 是一族广泛用于LED管、激光、纳米级晶体管、太阳能电池等的具有很大潜力的材料。

　　

　　 二硫化钼通道和1纳米碳纳米管栅极的示意图。图源：Sujay Desai/Berbeley Lab

　　 研究结果发表于10月7日号《科学》杂志。英特尔联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）曾预测，晶体管的集成电路密度每两年将翻一番（摩尔定律），让笔记本、手机、电视和其他电子产品的性能提高。

　　 这项研究的第一作者 Sujay Desai 表示：“半导体行业一直认为，任何线宽小于5纳米的栅极都无法工作，因此小于5纳米的栅极甚至没有被考虑过。我们的研究证明了，小于5纳米栅极的可能性。用MoS 2 取代原来的硅材料，我们可以制造出线宽只有1纳米的栅极，并使其起到开关作用。”

　　 让晶体管突破 5 纳米 栅极限制

　　 晶体管包含三极：源极、漏极和栅极。电流从源极流到漏极，流动过程被栅极控制，栅极会根据施加的电压选择开或者关。

　　 硅和 MoS 2 都有一个晶体晶格结构，但是与 MoS 2 相比，从硅中流过的电子会更加轻盈，遇到的阻碍也相对更少。当栅极在 5 纳米以上时，这是一个好处。但是，在这个长度之下，就会发生一个量子力学中的现象，叫隧道效应，进而导致电子从源极流向漏极的过程中，栅极电阻不能防止电流的强行通过。

　　

　　 晶体管切面的透射电子显微镜图像。图片显示了1纳米的碳纳米管栅极，以及被当做绝缘体的二氧化锆所分隔的二硫化钼半导体。图片来自： Qingxiao Wang，德州大学。

　　 “这意味着我们不能关闭这一晶体管”，Desai 说，“电流是失去控制的”。由于通过MoS 2 的电流更“重”，它们的流动可以通过更短的栅极长度进行控制。MoS 2 还可以缩减到原子级别的薄片，大约 0.65 纳米厚。此外，它还拥有更低的介电常数，这一指标反映的是材料储存电场中能源的能力。这两个属性，加上电子质量，有助于在栅极的长度减小到1纳米时，提升对晶体管内电流流动的控制。

　　 一旦他们选定MoS 2 作为半导体材料，下一步就应该是建造栅极。结果证明，建造 1 纳米的结构是一个不小的成就。传统的光刻技术在这一比例下不能发挥良好作用，所以研究者转向了碳纳米管，这种空心圆柱管的直径同样小到 1 纳米。

　　 随后，研究者测试了设备的电学性能，结果显示，MoS 2 晶体管加上碳纳米管栅极，能有效地控制电流。

　　 “这一研究展示了世界上最短的晶体管”，UC Berkeley 大学电子工程与计算机科学的教授 Javey 说，“但是，这只是一种概念证明。我们还没有把这些晶体管放在芯片上，并且，我们也没有经过数十亿次尝试。我们也还没有制定自我对标的制造计划，用于减少设备中的寄生电阻”。

　　 但是，这一研究的重要性在于，它说明我们的晶体管不再受 5 纳米栅极的限制。在一些半导体材料工程和设备架构上，摩尔定律还可以持续一段时间。

　　 新技术仍然救不了摩尔定律

　　 MIT Technology Review 的编辑 Jamie Condliffe 今日撰文指出，新的技术虽酷，但还是拯救不了摩尔定律。

　　 原因是什么呢？当前芯片设计面对问题不是其他，而是物理本身。 使用硅金属，无法制造出小于 7 纳米的逻辑门（半导体中通过开关控制电流走向的部分）。要是制造得小于 7 纳米，那么其中的电子就可能会产生一种叫做量子隧道的效应，也就是本来处于“关”状态的半导体自己突然变成“开”了。

　　 这种现象为摩尔定律套上了理论的枷锁。现在，美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员表示，他们研发出世界上最小的、可以工作的半导体，使用纳米碳管和二硫化钼（MoS 2 ）作为材料，制造出了 1 纳米的逻辑门――至少在理论上――意味着能在更小的空间上容纳更多的逻辑门，这是使用硅做材料绝对办不到的。

　　 但是， Condliffe 指出， 这也仅仅只是一个概念上的验证，距离切实可用的产品还有很长的距离。将研究中所描述的纳米管半导体制作成处理器，需要在单一的一块芯片上安置几十亿个这样的开关，而且让它们全都能正常运作。当然，Condliffe 评论称，这完全是有可能的，不过那样的芯片可能很贵很贵（“cripplingly expensive”），于是也就不切实际了。

　　 中科院计算所计算机体系结构国家重点实验室研究员韩银和评论称，“纳米级的晶体管早就有了，但量产的成品率是个问题。没有成品率的技术只能算研究不算突破。”

　　 事实上，芯片产业也已经开始着手准备应对晶体管不再缩小的现实。今年 7 月， 由英特尔、AMD等公司组成的 国际半导体技术发展路线图（International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS）发表最新报告指出，半导体体积到 2021 年将不再缩小。报告认为，届时半导体厂商将面积缩小、放下更多晶体管的做法在经济上已经不划算，此后半导体厂商将关注 3D 芯片等其他新的技术增强计算力。

　　 为此， 英特尔最近收购了 致力于开发计算机视觉专用芯片的初创公司 Movidius 。 与此同时，GPU 巨头英伟达也在开发专门用于加速深度学习的处理器。

　　 更加高性能的芯片也有利于在更低的计算机能源消耗下提升计算速度。微软和英特尔都在研究使用可重构的芯片，也就是所谓的FPGA 来更加高效地运行人工智能算法。日本的软银最近收购了英国的芯片厂家ARM。ARM在低功耗芯片上的成功很惊人，软银将使用这些芯片为日益增长的物联网硬件业务提供处理能力。

　　 更低专用化的处理器将很可能会自身大小来提升计算能力。比如，芯片将会越来越多地使用多层、电路来提升晶体管的密度。或者，可能的话，会使用伯克利实验室的这项突破来缩小晶体管大小，达到同样的目的。

　　 查看 Science 论文：http://science.sciencemag.org/content/354/6308/99.full

　　

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