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新技術(shù)或?yàn)槟柖伞袄m(xù)命”|世界速遞

發(fā)布時間:2023-05-21 14:46:48 來源:科普時報(bào) 責(zé)任編輯:caobo

科普時報(bào)記者 陳 杰

近日,麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出一種基于二硫化鉬的原子級薄晶體管,能直接在8英寸的二硫化鉬薄膜CMOS晶圓上生長,無須任何轉(zhuǎn)移過程。這種由二維材料制成的芯片可以像建樓房一樣一層一層地堆疊上去,在更小的面積上集成更多的晶體管。

業(yè)界認(rèn)為,這將是芯片領(lǐng)域一次零的突破,或?qū)⒅惺е畱n的摩爾定律得以延續(xù)。


(資料圖片僅供參考)

傳統(tǒng)芯片的發(fā)展“瓶頸”

自首顆芯片誕生以來,在摩爾定律“集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個月到24個月便會增加一倍,同時價格下降為之前的一半”的見證之下,芯片的性能越來越強(qiáng),尺寸也越來越小。

“通常情況下芯片的制程越先進(jìn),也意味著可以在更小的空間內(nèi)集成更多的晶體管,芯片算力及性能大幅提升的同時,芯片的能耗也會大幅下降。”中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所副研究員石侃接受科普時報(bào)記者采訪時表示,一直以來,更先進(jìn)的制程技術(shù)是芯片產(chǎn)業(yè)不懈的追求。

當(dāng)然,隨著制程技術(shù)越來越先進(jìn),芯片研發(fā)難度和制造成本也越來越高,當(dāng)芯片制程節(jié)點(diǎn)達(dá)到1納米之時,芯片技術(shù)的進(jìn)步將會變得異常困難,這便是摩爾定律的“天花板”。

理論上,當(dāng)芯片的制程工藝提升到1納米時候,電路中電流的電子會穿過半導(dǎo)體閘門,最終形成漏電等各種問題。目前,全球已經(jīng)量產(chǎn)的硅基芯片已經(jīng)達(dá)到3納米,2納米的芯片很快也將會量產(chǎn)了。

“隨著制程工藝的不斷提升,芯片的良品率也開始不斷下降。”一位芯片產(chǎn)業(yè)技術(shù)人員告訴記者,目前3納米芯片的良品率明顯要比5納米低,未來2納米芯片量產(chǎn)的話,良品率肯定還會進(jìn)一步降低。

“制造上的困難也限制了芯片設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的想象力。”該技術(shù)人員表示,先進(jìn)的制程能提高芯片的性能和功耗效率,但在設(shè)計(jì)又不得不考慮生產(chǎn)對制程的限制,畢竟,再好再先進(jìn)的設(shè)計(jì)文案不能只停留在圖紙上。

從材料入手解決難題

主導(dǎo)芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律幾十年的摩爾定律,難道真的就要“行將就木”?

石侃并不認(rèn)同這一觀點(diǎn),他認(rèn)為當(dāng)晶體管尺寸涉及原子尺度的時候,確實(shí)會遇到量子隧穿效應(yīng)等挑戰(zhàn),但并不代表完全行不通。“通過傳統(tǒng)的方法確實(shí)不行,但如果能使用石墨烯、碳納米管等新的碳基材料來替代傳統(tǒng)硅基材料,或者是使用神經(jīng)形態(tài)、量子計(jì)算等新的計(jì)算形態(tài),都有可能幫助摩爾定律‘續(xù)命’的,二硫化鉬原子級薄晶體管的誕生或許就是一個好的開始。”

目前,傳統(tǒng)芯片基本上是用塊狀的3D結(jié)構(gòu)材料制成,想要通過堆疊多層晶體管實(shí)現(xiàn)更密集的集成就變得越來越困難。新的技術(shù)使用超薄的2D材料制成半導(dǎo)體晶體管,每個只有3個原子厚,這樣就能堆疊起來制造更強(qiáng)大的芯片。

其實(shí),這并不是一項(xiàng)全新的技術(shù),此前的研究一直面臨著很大的困難。因?yàn)橐獙⒍S材料直接生長到硅CMOS晶圓上,需要大約600℃的溫度,但硅晶體管和電路在加熱到400℃以上時就可能出現(xiàn)損壞。新技術(shù)則是通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法,以低于300℃的溫度合成2D材料,成為技術(shù)突破的關(guān)鍵所在。

石侃表示,這種原子級的薄晶體管如果能進(jìn)入量產(chǎn)階段,芯片技術(shù)的發(fā)展將有望突破摩爾定律在制程節(jié)點(diǎn)上的“天花板”。“原子級芯片可以制造出更小、更快、更高效的電子器件,也可以大幅提高電子器件的可靠性,使得電子設(shè)備更加穩(wěn)定、安全、壽命長,有望在高性能計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域帶來重大影響,并為柔性電子設(shè)備、可穿戴技術(shù)和智能紡織品等領(lǐng)域提供強(qiáng)大的支持。”

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