科普时报记者 陈 杰

近日，麻省理工学院研究团队成功开发出一种基于二硫化钼的原子级薄晶体管，能直接在8英寸的二硫化钼薄膜CMOS晶圆上生长，无须任何转移过程。这种由二维材料制成的芯片可以像建楼房一样一层一层地堆叠上去，在更小的面积上集成更多的晶体管。

业界认为，这将是芯片领域一次零的突破，或将助有失效之忧的摩尔定律得以延续。

(资料图片仅供参考)

传统芯片的发展“瓶颈”

自首颗芯片诞生以来，在摩尔定律“集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍，同时价格下降为之前的一半”的见证之下，芯片的性能越来越强，尺寸也越来越小。

“通常情况下芯片的制程越先进，也意味着可以在更小的空间内集成更多的晶体管，芯片算力及性能大幅提升的同时，芯片的能耗也会大幅下降。”中国科学院计算技术研究所副研究员石侃接受科普时报记者采访时表示，一直以来，更先进的制程技术是芯片产业不懈的追求。

当然，随着制程技术越来越先进，芯片研发难度和制造成本也越来越高，当芯片制程节点达到1纳米之时，芯片技术的进步将会变得异常困难，这便是摩尔定律的“天花板”。

理论上，当芯片的制程工艺提升到1纳米时候，电路中电流的电子会穿过半导体闸门，最终形成漏电等各种问题。目前，全球已经量产的硅基芯片已经达到3纳米，2纳米的芯片很快也将会量产了。

“随着制程工艺的不断提升，芯片的良品率也开始不断下降。”一位芯片产业技术人员告诉记者，目前3纳米芯片的良品率明显要比5纳米低，未来2纳米芯片量产的话，良品率肯定还会进一步降低。

“制造上的困难也限制了芯片设计产业的想象力。”该技术人员表示，先进的制程能提高芯片的性能和功耗效率，但在设计又不得不考虑生产对制程的限制，毕竟，再好再先进的设计文案不能只停留在图纸上。

从材料入手解决难题

主导芯片产业发展规律几十年的摩尔定律，难道真的就要“行将就木”？

石侃并不认同这一观点，他认为当晶体管尺寸涉及原子尺度的时候，确实会遇到量子隧穿效应等挑战，但并不代表完全行不通。“通过传统的方法确实不行，但如果能使用石墨烯、碳纳米管等新的碳基材料来替代传统硅基材料，或者是使用神经形态、量子计算等新的计算形态，都有可能帮助摩尔定律‘续命’的，二硫化钼原子级薄晶体管的诞生或许就是一个好的开始。”

目前，传统芯片基本上是用块状的3D结构材料制成，想要通过堆叠多层晶体管实现更密集的集成就变得越来越困难。新的技术使用超薄的2D材料制成半导体晶体管，每个只有3个原子厚，这样就能堆叠起来制造更强大的芯片。

其实，这并不是一项全新的技术，此前的研究一直面临着很大的困难。因为要将二维材料直接生长到硅CMOS晶圆上，需要大约600℃的温度，但硅晶体管和电路在加热到400℃以上时就可能出现损坏。新技术则是通过金属有机化学气相沉积法，以低于300℃的温度合成2D材料，成为技术突破的关键所在。

石侃表示，这种原子级的薄晶体管如果能进入量产阶段，芯片技术的发展将有望突破摩尔定律在制程节点上的“天花板”。“原子级芯片可以制造出更小、更快、更高效的电子器件，也可以大幅提高电子器件的可靠性，使得电子设备更加稳定、安全、寿命长，有望在高性能计算、人工智能、物联网等领域带来重大影响，并为柔性电子设备、可穿戴技术和智能纺织品等领域提供强大的支持。”