国产芯片传来喜讯！中国已成功研制出世界上最小、最精密的晶体管

文 | 人文社

撰 | 人文社

«——【引言】——»

你知道世界上最小的“开关”在哪吗？

近日国产芯片甩出一张王牌：中国科学家成功研制出全球最小、最精密的晶体管！

它仅有1纳米，比我们的DNA分子还要细。

在高端光刻机被死死卡脖子的今天，我们究竟是如何在微观世界里完成这场极限“反杀”的？

让我们一起来看看吧。

沸腾的服务器与硅基的黄昏

老实说，现在的科技圈有点魔幻。

不管是能在屏幕里以假乱真的Sora，还是对答如流的ChatGPT，这些看着无比聪明的AI巨兽，背地里全是个顶个的“电老虎”。

每次它们在云端灵光一闪，现实世界里就有成吨的冷却水被烧开，发电厂的涡轮机都得跟着疯狂打转。

这背后的根本原因，出在芯片底层的材料上。

几十年下来，人类一直围着“硅”这个材料转圈圈。

把硅切开、打磨、雕刻，做成越来越小的开关。

可是，物理规律是有极限的。

当这些开关缩小到几纳米的时候，原子的边界就开始模糊，本来应该老老实实待在通道里的电子，学会了“穿墙术”——也就是物理学上让人头疼的“量子隧穿”。

结果就是，漏电严重，发热极其恐怖。

台积电和英特尔这些巨头，为了在硅基材料上再往前挤哪怕半个纳米，恨不得把每一张图纸都压榨干，投入几百上千亿的资金。

但这就像是在一个千疮百孔的旧水管上不停的打补丁，越修越吃力。

在这个节骨眼上，北京大学的彭练矛院士和邱晨光研究员团队，直接在实验室里扔出了一张底牌——他们压根就不想在这个泥潭里继续卷了，而是选择了一场跨越材料学边界的“基因突变”。

困住AI巨兽的“玻璃罩”与“双城记”

要看懂北大这次的突破有多狠，得先明白目前的芯片到底病在哪里。

传统的电脑和手机芯片，工作模式特别像一座规划得极度死板的城市。

城市里有两个绝对分开的区域：一个是负责算账的“计算城”，一个是负责装数据的“存储城”。

哪怕是最简单的一道算术题，数据也得坐着大巴车，在这两座城市之间的高速公路上来回跑。

平常聊个微信、看个网页还好，一旦碰上AI这种动不动就要吞吐亿万级参数的庞然大物，这条高速公路瞬间就堵成了早高峰的北京三环。

数据光是堵在路上消耗的时间和汽油（电能），就占了整个系统大半的开销。

这也就是业内天天念叨却又无可奈何的“内存墙”。

怎么破局？

科学家其实早就有个近乎完美的构想，叫“铁电场效应晶体管（FeFET）”。

这玩意的思路特别像我们人类的大脑神经突触，直接把计算和存储的功能捏合在一个细胞里。

数据就在原地处理，连门都不用出，一步到位。

既然这么好，为什么你的手机里没用上？

因为传统的铁电晶体管有个娘胎里带出来的硬伤：它太难被唤醒了。

想让它记住或者抹除一点东西，大概需要1.5伏的电压去推它。

这就好比你需要一把巨大的铁锤，才能砸开一扇精密仪器的门。

要知道，现在手机里那些娇贵的逻辑电路，日常工作电压都在0.7伏以下。

把一个需要1.5伏才能干活的大老粗塞进0.7伏的精致团队里，下场就是系统根本带不动，或者直接烧毁。

这就是那扇几十年来死死挡在全人类面前的“沉重铁门”。

微观世界的“外科手术”：中国学者的破局之刃

就在全世界都被这扇门挡得焦头烂额时，北大团队摸出了一把极其极其微小的“手术刀”。

既然传统的门推不开，那就重新造一扇轻到不可思议的门。

他们大胆抛弃了老掉牙的硅，找来了一种叫“金属性单壁碳纳米管”的神奇材料，把它做成了晶体管的核心部件——栅极电极。

这个电极有多细？

1纳米。

光听数字可能没感觉。

你拔一根自己的头发下来看看，这根头发的直径大概是5万到10万纳米。

北大团队做出的这个电极，比一根头发丝的五万分之一还要细。

连承载着人类遗传密码的DNA分子都有2纳米宽，这个电极硬是做到了DNA的一半大小。

这是真正在原子的缝隙里做微雕。

为了配合这根极细的碳电极，他们还用上了二硫化钼做沟通桥梁，铺上了多层的铁电材料。

这就形成了一个前所未有的“碳铁同盟”结构。

奇迹就在这1纳米的尺度上爆发了。

因为电极实在太小太尖锐，它就像一个物理学上的超级杠杆，把微弱的电场瞬间集中放大，狠狠扎进铁电层里。

原本那扇需要1.5伏大铁锤才能砸开的沉重铁门，现在只需轻轻一推——仅仅0.6伏的超低电压，就能让它瞬间苏醒并完成工作。

0.6伏！

这个数字直接把铁电晶体管拉进了现代主流芯片的舒适圈。

更夸张的在后面。

因为门变轻了，推门需要的力气小了，它的能耗直接暴跌到了0.45飞焦/微米。

这比国际上已知的最好水平，硬生生压低了整整一个数量级（也就是十分之一）。

同时，它的反应速度快得惊人，1.6纳秒就能给出回音。

这不是在原有的破车上换个轮胎，这是直接造了个反重力引擎。

科技暗林中的“降维打击”

跳出实验室的数据，作为长期在科技圈摸爬滚打的人，我看到这个新闻时的第一反应是：痛快！

这几年，只要一提到芯片，绝大多数人的神经都是紧绷的。

极紫外光刻机（EUV）进不来，先进制程被卡死，我们就像是被困在一条别人修好的铁轨上，前面是堵墙，后面是追兵。

按照西方定好的游戏规则，你要造高端芯片，就必须花十几亿买他们的机器，用他们的工艺。

但北大这项成果的最大痛快之处，在于它直接掀了桌子。

既然硅基微缩这条路越走越窄，光刻机的路又被强盗设了卡，那我们干脆换个赛道。

你们在硅的泥潭里拼命雕刻，我们在碳基和二维材料的旷野上另起炉灶。

碳纳米管加铁电材料的这套组合拳，本身对那种变态级的极紫外光刻精度依赖度相对较低，它更多拼的是材料学底蕴和全新的器件结构设计。

在这个1纳米以下的无人区里，短沟道效应（也就是前面说的漏电问题）被这种新结构完美免疫。

在“存算一体”的AI芯片终极赛道上，我国学者不仅没有跟在别人屁股后面吃灰，反而一骑绝尘，拿到了极其宝贵的领航罗盘。

这意味着，未来这种颠覆性芯片怎么造、标准怎么定、专利费怎么收，我国手里捏着实打实的硬牌。

清醒的狂欢：跨越“死亡之谷”的硬核长征

看到这儿，肯定有急性子的朋友要问：那是不是下个月我们就能用上不发烫、充一次电管一个月的国产神机了？

是不是就能直接干翻那些国外大厂了？

作为科普博主，我得按住大家激动的手。

科研不是写爽文，从实验室里的惊艳一击，到流水线上的亿万颗芯片，中间横跨着一条极其残酷的“死亡之谷”。

我们得实事求是地面对工程上的地狱级难度。

在显微镜下手搓出一个1纳米的完美碳纳米管是一回事，要在像披萨饼那么大的晶圆上，整整齐齐、丝毫不差地种下几十亿、上百亿根这样的碳纳米管，那完全是另一回事。

碳纳米管的纯度怎么控制？

怎么保证良品率不是万分之一而是百分之九十九？

二维半导体材料怎么完美贴合过去？

这些都是能把顶尖工程师逼疯的难题。

没有任何一种颠覆性技术是敲锣打鼓一蹴而就的。

半导体产业的铁律历来是：基础科学的侦察兵先开枪探明方向，庞大的工程部队随后进行长达数年的冲锋。

北大的学者们已经完美完成了侦察兵的任务，在黑暗中打下了一颗耀眼的照明弹。

接下来的接力棒，将交到我国庞大而坚韧的半导体产业链手里。

静水流深，大国重器下的微观星辰

回望这段历程，其实挺让人感慨的。

真正的反击，往往不是在敌人设定的广场上跟人家拼刺刀，而是在别人看不见的微观维度里，悄然重塑整个世界的规则。

一根1纳米的碳管，几张薄如蝉翼的二维薄膜，在这个远小于生命基本单元的尺度上，凝结着我国半导体科研人十几年如一日坐穿冷板凳的孤勇与倔强。

没有这种底层的、甚至是枯燥的物理极限突破，就没有未来数字经济的狂飙突进，也就没有国防安全和万物互联的坚实底座。

硅基时代的旧王座正在慢慢生锈，而属于新材料的星辰大海，正从这1纳米的极限原点，轰然起航。

我们不妨多给点耐心，这出好戏，才刚刚拉开大幕。

参考资料：科技日报——突破1纳米！下一代AI芯片基础技术取得关键进展