芯片工艺发展到1nm之后怎么办？摩尔定律会失效吗？

芯片工艺发展到1nm以后怎么办？这的确是一个问题，因为单原子硅的直径就大于0.1nm了，1nm也就10个硅原子不到的样子，这个时候量子隧穿效应将使得“电子失控”，出现芯片失效的问题，而且实际上不需要到1nm就会出现量子隧穿效应。对于这个问题，目前的说法是更换材料，不再使用硅材料，当然这个其实也可以说是治标不治本，因为再好的材料，最终也有一个极限，所以从传统的半导体工艺视角来看，摩尔定律的确是岌岌可危了。

摩尔定律

那么什么是摩尔定律？摩尔定律是由英特尔创始人之一的戈登·摩尔提出来的，其内容为：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔两年便会增加一倍。但是我们要知道摩尔定律不是物理规律和自然规律，该定律只是对现象的观测或对未来的推测，不是说一直都会成立。从逻辑上来看，物质无法无限细分下去，所以到了一定程度后摩尔定律会失效，所以大家担心摩尔定论失效是很正常的。

而最近几年随着工艺的不断发展，最新的工艺已经到5nm了，3nm也已经在宣传中了，大家对摩尔定律的失效是越来越担心了，不过从工艺跌倒的速度来看，到2030年之前应该还可以继续玩下去，等到了1nm的时候，就真的需要想点办法了，换材料的想法和相关实验早就在进行了，但是目前还没有真正的达到预期中的水平，不过这也不是第一次摩尔定律恐慌了。

前景

那么2030年之后怎么办？或者说就算换材料成功了，也只能再延续一段时间，总有一天会遇到那堵墙的，这条肯定会有尽头。不过我们不要忘记了摩尔定律的本意，虽然当初说的是晶体管数量增加，但是其本意还是芯片性能的提升，而后来英特尔首席执行官大卫·豪斯根据摩尔定律提出，预计每18个月会将芯片的性能提高一倍，如果从这个角度来看，那摩尔定律显然还会具有很长的生命力。

因为性能的提升不是只有半导体工艺提升这一条路，目前来说未来还可以通过更先进的封装来进行性能提升，以及架构上的优化，或者说其他计算方式带来的革命，譬如量子计算等技术。总之个人对计算性能的发展前景还是很看好的，只要有技术和人才的投入，计算机性能的提升将不会停止其步伐，至于半导体工艺面临摩尔定律失效的问题，并不会对计算机性能提升带来致命的影响。

1nm芯片不是极限。

1nm就是摩尔极限，也就是说，硅基芯片的极限精度理论上只能达到1nm，但由于自然环境的限制，其实际精度永远不可能达到1nm。

制程越小，功耗越小，在实现相同功能的情况下，发热小，电池可使用的时间更长。这就是芯片制程越来越小的主要原因。

台积电已经研发出了3nm芯片制造，本以为自己已经独占鳌头，却让人没有想到的是，近日英特尔突然宣布它们已经突破了芯片的摩尔极限，并且已经研发出三套方案，1nm不再是芯片精度的尽头。

发展：

芯片上有无数个晶体管，他们是芯片的核心，也就说，目前的技术是要把晶体管做的越来越小，这样，芯片上能容纳的晶体管就很多，芯片的性能就随之增加。

而目前最小的是1 nm栅极长度的二硫化钼晶体管。而且，并不是到1nm才会发生击穿效应，而是进入7nm节点后，这个现象就越来越明显了，电子从一个晶体管跑向另一个晶体管而不受控制，晶体管就丧失了原来的作用。

硅和二硫化钼（MoS2）都有晶体结构，但是，二硫化钼对于控制电子的能力要强于硅，众所周知，晶体管由源极，漏极和栅极，栅极负责电子的流向，它是起开关作用，在1nm的时候，栅极已经很难发挥其作用了，而通过二硫化钼，则会解决这个问题，而且，二硫化钼的介电常数非常低，可以将栅极压缩到1nm完全没有问题。

1nm是人类半导体发展的重要节点，可以说，能不能突破1nm的魔咒，关乎计算机的发展，虽然二硫化钼的应用价值非常大，但是，目前还在早期阶段，而且，如何批量生产1nm的晶体管还没有解决，但是，这并不妨碍二硫化钼在未来集成电路的前景。

半导体产业持续朝先进制程迈进，不断追求精密细小的极限挑战，以延续摩尔定律。为此，台湾地区台湾大学、台积电、美国麻省理工学院（MIT），联合研究发现二维材料结合半金属铋（Bi）能达到极低的电阻，接近量子极限，有助于实现半导体1纳米以下的艰巨挑战；且这项研究已于「自然期刊（Nature）」公开发表。

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03472-9

目前硅基半导体主流制程，已进展至5纳米及3纳米节点，芯片单位面积能容纳的晶体管数目，也将逼近半导体主流材料「硅」的物理极限，芯片性能无法再逐年显著提升。

因此，随着硅基半导体已逼近物理极限时，全球科学界都在积极寻找其他的可能材料；而一直以来科学界都对二维材料寄予厚望，却苦于无法解决二维材料高电阻、及低电流等问题，以至于取代硅成为新兴半导体材料一事，始终是「只闻楼梯响」。

为此，台大联手台积电、MIT 共同研究，首先由MIT团队发现在二维材料上搭配半金属铋的电极，能大幅降低电阻并提高传输电流；随后台积电技术研究部门（CorporateResearch）将铋沉积制程进行优化，台大团队并运用氦离子束微影系统（Helium-ion beamlithography）将元件通道成功缩小至纳米尺寸，终于获得这项突破性的研究成果。

这项跨国合作自2019年展开，合作时间长达一年半，包括台大、台积电、麻省理工学院等皆投入研究人力，共同为半导体产业开创新路。

这项研究发现，在使用铋为接触电极的关键结构后，二维材料晶体管的效能不但与硅基半导体相当，又有潜力与目前主流的硅基制程技术相容，实有助于未来突破摩尔定律的极限。虽然目前还处于研究阶段，但该成果能替下世代芯片提供省电、高速等绝佳条件，未来可望投入人工智能、电动车、疾病预测等新兴 科技 的应用中，民众都能受惠。

过去半导体使用三维材料，其物理特性与元件结构发展到了三纳米节点，这次研究改用二维材料，其厚度可小于一纳米（一到三层原子厚），更逼近固态半导体材料厚度的极限。而半金属铋的材料特性，能消除与二维半导体接面的能量障碍，且半金属铋沉积时，也不会破坏二维材料的原子结构。

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