摩爾定律終結了嗎？史上最小 1 nm 晶體管將為之續命

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《摩爾定律已死，半導體行業發展會停滯嗎？》、《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，關於摩爾定律即將走向盡頭的報道簡直數不勝數，各方專家也紛紛發言表態，支持這一説法。如此看來，這一科技界的鐵律真的沒有繼續生存下去的空間了嗎？正當我們為之疑惑歎息之時，計算技術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）的帶領下，他們開發出的新型晶體管柵極線寬只有1納米。（很難想象 1 nm到底有多小？以人類的髮絲作對比，後者寬度僅為約 5 萬納米。）


研究成果

計算機技術界長時間都遵循着摩爾定律，為什麼現在人們開始懷疑它不能持續下去了呢？根據物理定律，5 nm被認為是傳統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，分佈太集中，就可能會產生量子隧穿效應，這將為芯片製造商帶來嚴峻挑戰。
伯克力實驗室研究人員蘇傑伊-德賽(Sujay Desai)稱：“長期以來，半導體行業一直認為，任何小於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於5納米的柵極。”


研究成果

但伯克利實驗室卻打破傳統界限，開發出了柵極僅有 1 nm 的晶體管。

維説：“我們開發出了目前已知最小的晶體管。柵極長度被用於衡量晶體管的規格，我們成功研製出 1 nm 柵極晶體管，這意味着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，讓柵極低於 5 nm 並非不可能。一直以來，人們都是基於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，結果開發出了只有 1 nm 的柵極。”
硅和二硫化鉬都有一個晶格結構，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，硅材料能發揮它的優勢。但柵極長度低於 5 nm 時，就會出現了一種被稱為“隧道效應”的量子力學現象，從而阻止電流從源極流到漏極。

德賽解釋説：“這意味着我們無法關閉晶體管，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後，接下來就需要來建造柵極。但製造 1 nm 的結構並不是一件容易的事，傳統的光刻技術並不適用於這樣小的規模。最終，研究人員轉向了碳納米管——直徑僅為 1 nm 的空心圓柱管。
經研究人員測試顯示，採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。加維説：“這項研究表明，我們的晶體管將不再侷限於 5 nm 柵極。通過使用適當的半導體材料和設備架構，摩爾定律還會繼續長期生效。”

目前，這一研究還處在初級階段，《科學》雜誌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，現階段想要達到大規模量產恐怕還有些困難。畢竟， 在 14 nm 製程下，一個模具上就有超過 10 億個晶體管，而一下子縮小到 1 nm，芯片製造商們可能還需要一段時間來緩緩神。

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資料來源：雷鋒網
作者/編輯：夏睿