在科技領域，很多突破都與“多”和“大”有關，但是在集成電路領域，有一個部件正在不斷地往“小”的方向發展，那就是晶體管的柵極尺寸。

　　如果將中央處理器稱為一臺計算機的心臟，那么芯片就是這具身體的靈魂，幾乎決定了計算機的全部系統性能。晶體管則更是芯片的核心元器件，其更小的柵極尺寸，意味著芯片上可以集成更多的晶體管，并帶來性能飛躍性的提升。

　　1、史上柵極長度最小晶體管

　　近日，清華大學集成電路學院任天令教授團隊在國際學術期刊《自然》上在線發表題為《具有亞1納米柵極長度的垂直硫化鉬晶體管》的論文，在小尺寸晶體管研究方面取得重要進展，首次實現了具有亞1納米柵極長度且具有良好的電學性能的晶體管。

　　在過去10多年間，任天令團隊長期致力于二維材料器件技術研究，從材料、器件結構、工藝、系統集成等多層次實現創新突破。

　　集成電路領域有一個著名定律叫“摩爾定律”。戈登·摩爾曾經在1965年提出，集成電路芯片上可容納的晶體管數目，每隔18-24個月便會增加一倍，微處理器的性能提高一倍，或價格下降一半。

　　過去幾十年晶體管的柵極尺寸在摩爾定律的推動下不斷微縮，然而近年來，隨著晶體管的物理尺寸進入納米尺度，電子遷移率降低、漏電流增大、靜態功耗增大等問題層出不窮，使得新結構和新材料的開發迫在眉睫。

　　“目前主流工業界晶體管的柵極尺寸在12納米以上，例如我們常用的手機。但如果晶體管關鍵尺寸可以進一步微縮，我們的電子產品就可以更便于攜帶，功能更豐富。”任天令說。

　　學術界在極短柵長晶體管方面作出了探索，然而目前國際上研究團隊的極限也僅能實現柵長為1納米的平面硫化鉬晶體管。“晶體管是學術界和產業界生產芯片最基本的出發點，如果能把這個最小的基本單元做好的話，毫無疑問能給一系列外延功能提供更好的支持。”任天令告訴中青報·中青網記者，進一步突破1納米以下柵長晶體管的瓶頸，成了團隊下決心要解決的重點問題。

　　其實早在2018年，任天令團隊就提出了一個想法，希望用少層或者單層石墨烯的邊緣作為晶體管柵極來實現新型的晶體管。在實驗前期，由于石墨烯二維材料特殊的物理性質，團隊需要在整體器件工藝上進一步優化，以盡量在實驗室條件下減少工藝流程，增加其可靠性。

　　然而這個鮮有科研團隊涉足的領域，由于缺乏先前實驗參照及預期中的不可知性，團隊遇到了一道道難關，哪怕是其中一個看似簡單的制造工藝，都需要團隊長時間的反復打磨。

　　“其實我們走了非常多彎路，經歷過大大小小的失敗，實驗到凌晨對團隊成員而言也是家常便飯。”任天令說。

　　回憶起這段跌跌撞撞的摸索經歷，任天令反復提起兩個詞，“持之以恒”和“團隊協作”。

　　在團隊成員夜以繼日的努力下，他們巧妙利用石墨烯薄膜超薄的單原子層厚度和優異的導電性能作為柵極，通過石墨烯側向電場來控制垂直的MoS2溝道的開關，終于實現最小等效物理柵長為0.34納米。團隊成功推動了摩爾定律進一步發展到亞1納米級別，同時為二維薄膜在未來集成電路的應用提供了參考依據。

　　2、晶體管越小性能越好

　　在過去的一個世紀中，電子技術得到了飛速發展。在1920年，當是最好的中波收音機內包含有多個中真空管、很多體積碩大的電感、電容以及電阻，幾十米長的電線作為接收天線，用于供電的電池組的體積占據了很大的空間。

　　如今，可以收聽十幾個電臺的收音機可以輕松裝在你的口袋里，輔助的功能也極其豐富。但尺寸的減小并不僅僅為了便于攜帶：而是實現我們期望高性能的關鍵因素。

　　元器件尺寸的減小的最為明顯的好處就是可以在同樣體積內實現更多的功能，這對于數字電路尤其關鍵：更多的元器件，使得你可以在相同的時間內做更多的事情。比如一個64位的處理器，理論上可以在同樣的時鐘頻率下完成8位處理器的八倍的信息處理，為實現這一點，它也同樣需要八倍的電子元件：包括寄存器、累加器、總線寬度以及其他部件都會有八倍數量的提升。所以你需要有一個八倍尺寸的芯片，或者組成電路的元器件的尺寸小八倍。

　　對于存儲器也是相同的：更小的電子元器件可以在相同的體積存儲更多的信息。現在的顯示器的像素是由薄膜三極管制作，所以減少期間的尺寸可以提高顯示器的分辨率。然而除此之外還有更加關鍵優勢來自于更小的晶體管，那就是它們的性能也隨著體積的減小而得更顯著的提高。

　　未來是啥樣?

　　現在技術雜志中經常反復出現的說法就是摩爾定理的失效，或不斷給出這些預測出錯的原因。但事實上，半導體中的三巨頭，英特爾、三星和臺積電仍然在努力將更多的器件壓縮進方寸之中，并籌劃未來更多芯片改進工藝。雖然比不上20年前改進步伐那么顯著，但晶體管尺寸的降低一如既往。

　　但對于其它分立器件我們好像到了它們的自然極限：尺寸的降低非但不能帶了性能的提高，而且也超出了大多數應用場合的需求。

　　似乎對于分立器件來說，并沒有什么摩爾定律，如果有的話，我更愿看到有誰能完成焊接這些標貼器件的挑戰。