芯片快到物理极限了，中国学者用碳管造出1纳米开关

去年底，北京大学彭练矛院士与邱晨光研究团队在实验室里成功制备出一种新型晶体管，其栅极宽度仅为1纳米，这尺寸比头发丝细五万倍，甚至比DNA分子的宽度还要小一半，他们采用金属性单壁碳纳米管、二硫化钼以及多层铁电薄膜堆叠形成“碳铁同盟”结构，替代了传统硅材料，该器件不仅具备实际工作能力，而且运行电压低至0.6伏，略低于当前主流芯片所需的0.7伏水平。

现在主流芯片还在用硅材料制造,但遇到一个麻烦,当晶体管做到三五纳米那么小的时候,电子会自己穿过本来不该穿过的屏障,这就是量子隧穿现象,结果漏电变得很严重,耗电量大幅上升,芯片发热厉害,英特尔和台积电投入了上千亿美元,还是没法让硅材料的尺寸再往小里做,更让人头疼的是,现在的电脑结构把存储数据和计算数据分开处理,数据需要来回传输,在训练人工智能模型时,有七成的电力都消耗在数据传输上,这个被称为内存墙的问题,以前有人尝试过铁电晶体管,但它需要一点五伏电压才能翻转状态,根本没法放进现有的芯片设计里去。

北大这个团队没有去拼光刻机的精度，而是换了一条新路，他们发现1纳米栅极产生的电场很强，就像一个小杠杆一样，轻轻一碰就能让铁电层翻转，结果只需要0.6伏电压就能驱动，能耗降到每微米0.45飞焦，是国际上最好水平的十分之一，响应速度达到1.6纳秒，够快也够用，重要的是这种方法不需要EUV光刻机，靠的是材料组合和原子级别的设计，而中国在材料科学方面本来就有积累，只是以前没往这个方向用力。

这件事之所以重要,是因为美国主导的半导体体系主要依靠EUV光刻机和硅基技术专利,通过控制制造环节形成优势,中国长期被限制在产业链下游进行发展,而这次技术突破是从器件底层入手,采用材料与结构相结合的新模式,这种创新路径尚未被西方企业用专利全面覆盖,就像别人建好高铁线路后,我们选择自主搭建磁悬浮系统,早年IBM曾研发碳纳米管晶体管,但在5纳米工艺遇到低电压难题未能突破,中国团队这次不仅实现亚1纳米制程,还解决了工程应用中的稳定性问题,这在全球范围内属于首次突破。

不过别太兴奋，实验室里能做出一根完美的碳管，和在一片晶圆上排几十亿根、每根都一样，完全是两码事，碳管纯度得超过99.9999%是半导体性的，不能混进金属性的，还得准确定位，不能歪斜，二维材料一层层叠上去，良率现在低得吓人，目前没有现成设备能做这个，得从头开发沉积、蚀刻、测试整条线，业内普遍认为，从实验室到量产，至少5年起步，搞不好要10年，当前这成果更像是探路的侦察兵，不是大军压境。

国家这几年悄悄调整了方向，“十四五”新材料专项明确支持二维材料和碳基电子学，科技部去年新设“后摩尔时代器件”重点专项，北大这个项目是第一批拿到持续资助的，有意思的是，2023年MIT和比利时IMEC还在研究硅基3纳米以下的改良方案，没人公开做出0.6伏驱动的铁电晶体管，这条路没人走通不代表走不通，只是走得慢需要耐心。

我翻过他们论文附录里的显微图，看到那根1纳米的栅极在电镜下像一根针尖，稳稳架在碳管上，你可以说这是技术突破，也可以说是另辟蹊径，但它确实存在。