为什么说1nm是半导体的极限?

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。

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。

半导体能带理论 分析半导体能带理论，必须从能级，能带，禁带，价带，导带开始。因此分析如下： 能级（Enegy Level）：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。能带（Enegy Band）：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有5×1022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。 禁带（Forbidden Band）：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带。 价带（Valence Band）：原子中最外层的电子称为价电子，与价电带。 导带（Conduction Band）：价带以上能量最低的允许带称为导带。 导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。 半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。半导体中的载流子是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。例如，绝缘材料SiO2的Eg约为5.2eV，导带中电子极少，所以导电性不好，电阻率大于1012Ω·cm。半导体Si的Eg约为1.1eV，导带中有一定数目的电子，从而有一定的导电性，电阻率为10-3—1012Ω·cm。金属的导带与价带有一定程度的重合，Eg=0，价电子可以在金属中自由运动，所以导电性好，电阻率为10-6—10-3Ω·cm。

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