1nm成為矽基晶片的極限

正在失效的摩爾定律

在計算機行業長久以來一直受到摩爾定律的支配——半導體電路中的電晶體數量每兩年就會翻一番。但是隨著晶片製程的不斷縮小，傳統的摩爾定律正面臨失效的危機，特別是在1nm製程上，傳統的矽晶片已經趨近於極限。

為什麼1nm是極限呢？所謂的半導體晶片就是能表示“0”和“1”這兩種狀態，因而稱為半導體。但小於7nm時隨著物理結構上矽電晶體間的距離越來越小，會逐漸出現

量子隧穿效應

，電子不再停留在預期的邏輯閘內表示“0”和“1”，而是連續地從一個門流向下一個門。此時的矽電晶體不再可能處於關閉狀態，半導體也就變成了全導體，自然也就無法完成晶片的基本功能了。

量子隧穿效應

因此在逐漸逼近矽晶片的1nm極限的時候，除了提高工藝之外，世界各地的頂尖實驗室也開始考慮使用其他材料代替矽的可能性。單純從材料效能角度考慮，矽並不是最好的半導體晶片材料，但是矽最大的好處就是便宜，原料成本十分低廉。但是由於已經逼近物理極限，因此在矽基晶片到達極限之前，找到替代材料成為所有科研機構的首要研究任務。

論文發表在世界頂級期刊Science上

碳基晶片會取代矽基晶片嗎？

來自北京大學資訊科學技術學院電子學系/北京大學碳基電子學研究中心、奈米器件物理與化學教育部重點實驗室張志勇教授-彭練矛教授課題組透過發展全新的提純和自組裝方法，製備高密度高純半導體陣列碳奈米管材料，首次實現了效能超越同等柵長矽基CMOS技術的電晶體和電路，展現出碳管電子學的優勢。

這項成果也以《用於高效能電子學的高密度半導體碳奈米管平行陣列》為名發表在了全球頂級學術期刊《Science》上。這也是全球第一次實現了碳奈米管的批次生產，可以說是歷史性的突破。

能夠彎道超車跨過光刻機嗎

碳基晶片存在哪些缺點

眾所周知傳統晶片製造中最為重要的裝置之一就是光刻機，而我們目前在光刻機的研發上還處於落後的位置，至今28nm光刻機還沒有量產。而碳奈米管的突破也為我國晶片發展提供了另一種方向，基於碳奈米管技術可以實現對傳統晶片的彎道超車，直接跨過光刻機階段。

雖然碳奈米管為晶片產業提供了彎道超車的機會，但同時也存在幾個問題：

碳基晶片依然存在諸多困難

首先是碳奈米管作為一種新興技術還不夠成熟，在實現量產之前依然需要大量的時間和資源投入，目前碳奈米管極高的製造成本嚴重製約了推廣和使用。

其次是我們的光刻機研發同樣處於突破階段，28nm光刻機即將問世，如果沿著光刻機道路繼續發展也存在趕上目前光刻機領域的領導者ASML的可能性。

最後則是除了使用碳奈米管替代矽之外，還有諸多其他技術方案如：隧道對齊柵極的隧穿場效電晶體（Tunnel FET）、單電子電晶體（Single Electron Transistor）、量子元胞自動機（Quantum Cellular Automata ）、石墨烯（Graphene FET）等等，雖然我們在碳奈米管上取得了突破，但是目前幾大技術之間依然難分伯仲，因此難以對碳奈米管進行孤注一擲的投入。

是否應該押寶碳奈米管？

寫在最後

晶片製造的突破並不是一朝一夕可以完成的，碳奈米管技術的突破雖然給了我們一條捷徑，但是這條捷徑是否能夠通向成功依然是存疑。或許一邊繼續研發28nm光刻機，另一面繼續研究碳奈米管技術會是一個更加務實和可靠的選擇。

但過於保守也就失去了在碳奈米管領域上先發的優勢，大家覺得應該在碳奈米管領域孤注一擲發展嗎？歡迎留言討論。