晶片已成為現代科技設備核心,然而,隨著製程技術的不斷進步,晶片微縮近乎物理極限。晶體管密度的縮小和量子穿隧效應等構成瓶頸,這些挑戰推動業界尋找新技術,以突破現有的物理極限。
如台積電、比利時微電子研究中心(imec)等尖端研究團隊正以追求相同晶片面積高頻寬、低功耗之最佳解進行突破;台積電更首揭CFET後電晶體路徑,嘗試以2D TMD(二硫化鉬MoS2、二硫化鎢WS2)、CNT(奈米碳管)等非矽結構探索次世代可能解方。
晶片核心-電晶體,當其縮小到奈米級別時、新的挑戰開始出現。回顧過往,「短通道效應」是指當汲極與源極之間的距離變短時,閘極對電流的控制能力變弱,導致漏電現象的發生,該現象在35奈米節點時尤為明顯;彼時人們認為35奈米已是電晶體技術之極限。不過,隨著胡正明教授提出的FinFET(鰭式場效電晶體)、透過傳統的平面型變為「立體型」,該困境得以解決、電晶體技術進入新的發展階段。
現階段半導體已逐漸逼近1奈米製程,這意味著傳統矽基電晶體的物理極限正在臨近,尺寸接近矽原子的直徑(約0.22奈米)時,量子穿隧效應將變得無法避免。簡言之,電子在不需要額外能量的情況下,穿透原本不可穿透的屏障,導致電晶體處於連續通電的狀態,無法實現「0」與「1」的切換、影響晶片的穩定性與計算準確性。
即便技術再精進,也無法繼續縮小晶體管的尺寸。目前可實現量產的最先進的製程達到3奈米,如蘋果最新的A17 Pro晶片,便是在103平方毫米的尺寸內塞下超過190億個電晶體。
儘管FinFET之後還有GAAGET(環繞式閘極場效電晶體)、CFET(互補式場效電晶體)等架構續命,然而,台積電曹敏博士坦言,從場效電晶體(FET)取得PPA(效能、功耗、面積)成長效果遞減,而為了延續高成長,台積電不排除新興材料的發展;後CFET藍圖不乏2D TMD、CNT等二維材料。
傳統技術路徑將無法再繼續縮小。然而,晶片技術的未來並不僅僅依賴於電晶體的微縮,新的材料、存算一體技術以及量子運算等同樣提供新的發展方向。AI的發展有望為未來的科技行業帶來新的突破,正如過去胡正明教授的FinFET技術打破35奈米的瓶頸,新的創新將再次推動晶片技術邁向新高度。
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