台积电再次取得重大突破：1nm以下制程继续挑战摩尔定律极限

在信息技术发展浪潮中，浪潮涌起的高度的衡量一度成为业界的“心患”。换句话说，如何估量信息技术进步的速度成了困扰业内人士许久的难题。籍此背景之下，英特尔创始人之一戈登·摩尔通过大量数据调研整理，于1965年，正式提出“摩尔定律”。迄今为止，此定律已历经了半世纪风雨，对于半导体产业发展，更是产生了不可磨灭的作用。

摩尔预言，半导体芯片中集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。随后不久，摩尔另外撰写论文声明，将“每年增加一倍”修改为“每两年增加一倍”。详细地说，摩尔定律即为：当价格不变时，半导体芯片中可容纳的元器件数目，约两年便会增加一倍，其性能也将同比提升。

当然，通过后来数十年的数据证明，半导体芯片中可容纳的元器件数目，约18个月便将增加一倍(即摩尔前后预测的平均值)。对于此，摩尔表示，他并未提过“每18个月增加一倍”推论，而且根据其数据图显示，这个变化周期便是24个月。

摩尔定律为芯片制程的提升带来了基本准则，这么多年来所有代工厂几乎都无法脱离它的核心思想，包括全球第一的台积电，也是在摩尔定律的推动下，才慢慢达到如今的高度。但随着芯片先进程度的不断提高，到了5nm时代，摩尔定律似乎要失效了。

目前能够量产5nm芯片的代工厂只有两家，除了台积电之外就是三星，二者的工艺技术不存在太大的差距。但更为先进的3nm芯片，对于它们而言却是一个不容忽视的难题，因为5nm制程还没有完全成熟，要想实现3nm的量产可能需要很长的时间。

而一旦这个时间不符合摩尔定律的预期，就说明该定律即将失效，3nm尚且如此，更何况后面的2nm和1nm芯片呢?所以说，在芯片工艺持续进步之后，摩尔定律也许会迎来极限，到时候各大代工厂的技术提升就会变得非常缓慢。

其实，半导体芯片单位面积可集成的元件数量最终将达到多少这个问题并没有明确的答案，但据专家预测，半导体芯片制程工艺的物理极限为2-3nm，以此推算，摩尔定律似乎也只能“存活”10年之久。

IBM刚官宣2nm研发不久，台积电现已取得1nm以下制程重大突破!近日，台积电、台大与MIT携手研发出半导体新材料「铋(Bi)」，能大幅降低电阻并提高传输电流，有助于未来突破「摩尔定律」极限。

近日，台积电联合台大与美国麻省理工学院(MIT)官方宣布，在 1nm 以下芯片制程方面取得重大突破。研究发现，二维材料结合“半金属铋(Bi)”能大幅降低电阻并提高传输电流，实现接近量子极限的能效，解决了长期以来二维材料高电阻及低电流等问题，有助实现半导体1nm以下制程挑战。

该项研究成果，由台大电机系暨光电所教授吴志毅与台湾积体电路以及MIT研究团队共同完成，自2019年开始已经持续了长达1年多的三方跨国合作，如今终于取得了突破性的研究成果。吴志毅教授表示，在使用铋(Bi)作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，还有潜力与目前主流的硅基制程技术相容，有助于未来突破摩尔定律极限。

随着晶圆单位面积能容纳的晶体管数目逐渐逼近主流硅基材料的物理极限，晶体管效能再也无法逐年显著提升。近年来，科学界也在积极地寻找能取代硅的二维材料，而此次的发现，无疑给芯片制程技术发展打了一剂强心针。、

目前市面上主流的芯片大都以7nm工艺为主，在芯片竞争这一块也进入了白热化。台积电在去年已经公布消息称实现7nm工艺生产，现如今，IBM、NVIDIA以及高通都相继加入这个阵营。

对于芯片领域而言，掌握核心科技才是硬道理。从芯片发展的蓝图上看，台积电在去年已经实现7nm工艺的量产，预计今年实现7nm EUV量产，其中华为麒麟985和苹果A13处理器将会首批尝鲜7nm系列工艺设备。根据台积电给出的时刻表可知，其预计明年进入5nm设计，2021进入3nm设计，最终会在2022年实现3nm工艺的量产。

其实早在去年台积电就已经启动3nm晶圆厂的筹备工作，今天台湾环保部门正式通过台积电3nm晶圆厂的专案初审，同意用地的申请，3nm晶圆厂最终会在新竹园区生根发芽。整个项目初步预算投入4000亿资金，折合人民币约为879亿人民币，这足以看出台积电要攻克3nm制程的决心。

而3nm被公认为已经达到摩尔定律的物理极限。摩尔定律问世已有40余年，早在20世纪60年代初期，一根晶体管要价高达10美元，随着科技技术的突破，晶体管也越来越小。但是万物都是有极限的，芯片也不例外。一旦芯片的线条宽度达到纳米(10^-9米)数量级时，就会引发一系列高热效应。

台积电技术研究部门则将「铋(Bi)沉积制程」进行优化，最后台大团队运用「氦离子束微影系统」将元件通道成功缩小至纳米尺寸，终于获得突破性的研究成果。吴志毅教授说明，在使用「铋(Bi)」为「接触电极」的关键结构后，二维材料电晶体的效能，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，有助于未来突破「摩尔定律」极限。研究成果能替下世代晶片，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应用。

迄今为止，摩尔定律“问世”已然五十载有余，在半导体芯片制程工艺水平飞速提升的同时，人们不禁有些疑问，半导体芯片单位面积可集成的元件数量最终将达到多少?摩尔定律会一直存在下去吗?对此，大家怎么看呢?