摩爾定律終結(jié)了嗎？史上最小 1 nm 晶體管將為之續(xù)命

 

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《摩爾定律已死，半導體行業(yè)發(fā)展會停滯嗎？》、《摩爾定律這次真的到頭了！ 》、《存在 50 年的摩爾定律正在失靈？》……近年來，關(guān)于摩爾定律即將走向盡頭的報道簡直數(shù)不勝數(shù)，各方專家也紛紛發(fā)言表態(tài)，支持這一說法。如此看來，這一科技界的鐵律真的沒有繼續(xù)生存下去的空間了嗎？正當我們?yōu)橹苫髧@息之時，計算技術(shù)界突然傳來了一個好消息：科學家已將晶體管制程從 14 nm縮減到了 1 nm！這樣，同樣體積的芯片上就能集成更多晶體管，摩爾定律有希望繼續(xù)它的傳奇預言！

這一巨大突破是由勞倫斯伯克利國家實驗室的一個團隊完成的。在阿里·加維（Ali Javey）的帶領(lǐng)下，他們開發(fā)出的新型晶體管柵極線寬只有1納米。（很難想象 1 nm到底有多??？以人類的發(fā)絲作對比，后者寬度僅為約 5 萬納米。）

 

研究成果

計算機技術(shù)界長時間都遵循著摩爾定律，為什么現(xiàn)在人們開始懷疑它不能持續(xù)下去了呢？根據(jù)物理定律，5 nm被認為是傳統(tǒng)半導體柵極線寬的極限，這大約是當前市面上高端 20 納米柵極晶體管的 1/4 。而如果晶體管太小，分布太集中，就可能會產(chǎn)生量子隧穿效應，這將為芯片制造商帶來嚴峻挑戰(zhàn)。

伯克力實驗室研究人員蘇杰伊-德賽(Sujay Desai)稱：“長期以來，半導體行業(yè)一直認為，任何小于5納米的柵極都不可能正常工作。因此，人們之前從未考慮過小于5納米的柵極?！?/p>

 

研究成果

但伯克利實驗室卻打破傳統(tǒng)界限，開發(fā)出了柵極僅有 1 nm 的晶體管。

維說：“我們開發(fā)出了目前已知最小的晶體管。柵極長度被用于衡量晶體管的規(guī)格，我們成功研制出      1 nm 柵極晶體管，這意味著只要所選擇的材料適當，當前的電子零部件還有較大縮減空間。 ”

而德賽稱：“我們的研究成果表明，讓柵極低于 5 nm 并非不可能。一直以來，人們都是基于硅材料來縮小電子零部件的體積。但我們放棄了硅材料，選了二硫化鉬，結(jié)果開發(fā)出了只有 1 nm 的柵極?！?/p>

硅和二硫化鉬都有一個晶格結(jié)構(gòu)，但與二硫化鉬相比，通過硅流動的電子更輕，遇到電阻更小。當柵極為5 nm 或更長時，硅材料能發(fā)揮它的優(yōu)勢。但柵極長度低于 5 nm 時，就會出現(xiàn)了一種被稱為“隧道效應”的量子力學現(xiàn)象，從而阻止電流從源極流到漏極。

德賽解釋說：“這意味著我們無法關(guān)閉晶體管，電子完全失控了。”而通過二硫化鉬流動的電子更重，因此可以通過更短的柵極來控制。

研究成果

選定二硫化鉬作為半導體材料后，接下來就需要來建造柵極。但制造 1 nm 的結(jié)構(gòu)并不是一件容易的事，傳統(tǒng)的光刻技術(shù)并不適用于這樣小的規(guī)模。最終，研究人員轉(zhuǎn)向了碳納米管——直徑僅為 1 nm 的空心圓柱管。

經(jīng)研究人員測試顯示，采用碳納米管柵極的二硫化鉬晶體管能夠有效控制電子流動。加維說：“這項研究表明，我們的晶體管將不再局限于 5 nm 柵極。通過使用適當?shù)陌雽w材料和設(shè)備架構(gòu)，摩爾定律還會繼續(xù)長期生效?！?/p>

目前，這一研究還處在初級階段，《科學》雜志已刊登該項研究成果。雖然這一研究有望大大提升計算機的計算能力，具有十分重要的指導意義，但是，現(xiàn)階段想要達到大規(guī)模量產(chǎn)恐怕還有些困難。畢竟， 在  14 nm 制程下，一個模具上就有超過 10 億個晶體管，而一下子縮小到 1 nm，芯片制造商們可能還需要一段時間來緩緩神。

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