在科技領(lǐng)域，很多突破都與“多”和“大”有關(guān)，但是在集成電路領(lǐng)域，有一個部件正在不斷地往“小”的方向發(fā)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(jì)算機(jī)的心臟，那么芯片就是這具身體的靈魂，幾乎決定了計(jì)算機(jī)的全部系統(tǒng)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(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊(duì)在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上在線發(fā)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(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了具有亞1納米柵極長度且具有良好的電學(xué)性能的晶體管。

　　在過去10多年間，任天令團(tuán)隊(duì)長期致力于二維材料器件技術(shù)研究，從材料、器件結(jié)構(gòu)、工藝、系統(tǒng)集成等多層次實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破。

　　集成電路領(lǐng)域有一個著名定律叫“摩爾定律”。戈登·摩爾曾經(jīng)在1965年提出，集成電路芯片上可容納的晶體管數(shù)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(jìn)入納米尺度，電子遷移率降低、漏電流增大、靜態(tài)功耗增大等問題層出不窮，使得新結(jié)構(gòu)和新材料的開發(fā)迫在眉睫。

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

　　學(xué)術(shù)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(tuán)隊(duì)的極限也僅能實(shí)現(xiàn)柵長為1納米的平面硫化鉬晶體管。“晶體管是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界生產(chǎn)芯片最基本的出發(fā)點(diǎn)，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(wǎng)記者，進(jìn)一步突破1納米以下柵長晶體管的瓶頸，成了團(tuán)隊(duì)下決心要解決的重點(diǎn)問題。

　　其實(shí)早在2018年，任天令團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)新型的晶體管。在實(shí)驗(yàn)前期，由于石墨烯二維材料特殊的物理性質(zhì)，團(tuán)隊(duì)需要在整體器件工藝上進(jìn)一步優(yōu)化，以盡量在實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)涉足的領(lǐng)域，由于缺乏先前實(shí)驗(yàn)參照及預(yù)期中的不可知性，團(tuán)隊(duì)遇到了一道道難關(guān)，哪怕是其中一個看似簡單的制造工藝，都需要團(tuán)隊(duì)長時間的反復(fù)打磨。

　　“其實(shí)我們走了非常多彎路，經(jīng)歷過大大小小的失敗，實(shí)驗(yàn)到凌晨對團(tuán)隊(duì)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(jīng)歷，任天令反復(fù)提起兩個詞，“持之以恒”和“團(tuán)隊(duì)協(xié)作”。

　　在團(tuán)隊(duì)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(yōu)異的導(dǎo)電性能作為柵極，通過石墨烯側(cè)向電場來控制垂直的MoS2溝道的開關(guān)，終于實(shí)現(xiàn)最小等效物理柵長為0.34納米。團(tuán)隊(duì)成功推動了摩爾定律進(jìn)一步發(fā)展到亞1納米級別，同時為二維薄膜在未來集成電路的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

　　2、晶體管越小性能越好

　　在過去的一個世紀(jì)中，電子技術(shù)得到了飛速發(fā)展。在1920年，當(dāng)是最好的中波收音機(jī)內(nèi)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(jù)了很大的空間。

　　如今，可以收聽十幾個電臺的收音機(jī)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(shí)現(xiàn)我們期望高性能的關(guān)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(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能，這對于數(shù)字電路尤其關(guān)鍵：更多的元器件，使得你可以在相同的時間內(nèi)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(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，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(shù)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(xiàn)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(guān)鍵優(yōu)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(xiàn)在技術(shù)雜志中經(jīng)常反復(fù)出現(xiàn)的說法就是摩爾定理的失效，或不斷給出這些預(yù)測出錯的原因。但事實(shí)上，半導(dǎo)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(jìn)方寸之中，并籌劃未來更多芯片改進(jìn)工藝。雖然比不上20年前改進(jìn)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(shù)應(yīng)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(biāo)貼器件的挑戰(zhàn)。