晶片突破 1nm 後，將會如何發展？

當矽基晶片突破 1nm 之後，量子隧穿效應將使得「電子失控」，晶片失效（確切的說，5nm 甚至 7nm 以下，就已經存在量子隧穿效應）。這種情況下，替換晶片的矽基底，也許是晶片進一步發展的可行出路之一。

早在 2016 年，《科學》雜誌就報到了勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究成果：世界上最小的電晶體——1 納米柵極長度的二硫化鉬（MoS2）電晶體。

進一步縮小電晶體尺寸是提高計算機算力和打破技術瓶頸的重要突破口。電晶體越小，晶片上的容量就越大，處理器的速度就越快，計算機效率也就越高。多年來，計算機行業一直受摩爾定律的支配。摩爾定律指出，半導體電路中的電晶體數量每兩年就會翻一番。但展望未來，摩爾定律開始遇到麻煩。所謂的麻煩，我指的是物理定律。你看，雖然用矽製造 7nm 節點在技術上是可行的，但在那之後就遇到了問題，小於 7nm 的矽電晶體在物理上緊密相連，電子會經歷量子隧穿效應。因此，電子可以連續地從一個門流向下一個門，而不是停留在預期的邏輯門內，這在本質上使得電晶體不可能處於關閉狀態。

那麼，如何拯救「失控的電子」呢？

工業界一直在壓榨矽基底的每一點產能。通過將材料從矽換成二硫化鉬（MoS2），我們就可以製造出一個只有 1 納米長的柵電晶體，並像控制開關一樣控制它

眾所周知，電晶體由三個端子組成：源極，漏極和柵極。電流從源極流向漏極，並由柵極控制，柵極根據施加的電壓而進行導通或關斷電流。

矽和二硫化鉬（MoS2）都具有晶格結構，但是通過矽的電子有效質量比二硫化鉬（MoS2）小。當柵極長度為 5 納米或更長時，矽電晶體可以正常工作。但當柵極長度小於這個長度時，一種叫做量子隧穿的量子力學現象開始出現，柵勢壘就不再能夠阻止電子從源極流入漏極。這意味著我們不能關閉電晶體，即電子失去了控制。

而通過二硫化鉬（MoS2）的電子有更高的有效質量，他們的流動可以通過更小的門長度來控制。二硫化鉬（MoS2）也可以縮小到原子般的薄片，大約 0.65 納米厚，且具有較低的介電常數（反映了材料在電場中存儲能量的能力），這些特性，使得當二硫化鉬（MoS2）柵極長度減少到 1 納米時，也可以對電晶體內部電流流動進行有序的控制。

雖然勞倫斯伯克利國家實驗室對此方案的可行性進行了實驗驗證，但不得不強調的是，這裡的研究仍處於非常早期的階段。一個 14nm 的晶片上有超過 10 億個電晶體，而伯克利實驗室團隊還沒有開發出一種可行的方法來批量生產新的 1nm 電晶體，甚至還沒有開發出使用這種電晶體的晶片。但是哪怕僅僅作為概念的證明，這裡的結果仍然是非常重要且令人鼓舞的的，期待後續新材料的發現可以繼續允許更小的電晶體尺寸，並隨之提高未來計算機的功率和效率。