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摩尔定律终结了吗?史上最小 1 nm 晶体管将为之续命

本文作者:夏睿 2016-10-08 15:14
导语:美国劳伦斯伯克利国家实验室的团队开发出了到目前为止尺寸最小的晶体管,其栅极线宽可缩小至1纳米。通过适当的半导体材料工程和设备架构,摩尔定律将继续有效。

 摩尔定律终结了吗?史上最小 1 nm 晶体管将为之续命

engadget

《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。)

 摩尔定律终结了吗?史上最小 1 nm 晶体管将为之续命

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。”

 摩尔定律终结了吗?史上最小 1 nm 晶体管将为之续命

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。

摩尔定律终结了吗?史上最小 1 nm 晶体管将为之续命

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。

 via:engadget

延伸阅读:

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