采‧访‧线‧上－晶片微缩之路 创新、创新再创新

晶片核心-电晶体，当其缩小到奈米级别时、新的挑战开始出现。图／本报资料照片

晶片已成为现代科技设备核心，然而，随着制程技术的不断进步，晶片微缩近乎物理极限。晶体管密度的缩小和量子穿隧效应等构成瓶颈，这些挑战推动业界寻找新技术，以突破现有的物理极限。

如台积电、比利时微电子研究中心（imec）等尖端研究团队正以追求相同晶片面积高频宽、低功耗之最佳解进行突破；台积电更首揭CFET后电晶体路径，尝试以2D TMD（二硫化钼MoS2、二硫化钨WS2）、CNT（奈米碳管）等非矽结构探索次世代可能解方。

晶片核心-电晶体，当其缩小到奈米级别时、新的挑战开始出现。回顾过往，「短通道效应」是指当汲极与源极之间的距离变短时，闸极对电流的控制能力变弱，导致漏电现象的发生，该现象在35奈米节点时尤为明显；彼时人们认为35奈米已是电晶体技术之极限。不过，随着胡正明教授提出的FinFET（鳍式场效电晶体）、透过传统的平面型变为「立体型」，该困境得以解决、电晶体技术进入新的发展阶段。

现阶段半导体已逐渐逼近1奈米制程，这意味着传统矽基电晶体的物理极限正在临近，尺寸接近矽原子的直径（约0.22奈米）时，量子穿隧效应将变得无法避免。简言之，电子在不需要额外能量的情况下，穿透原本不可穿透的屏障，导致电晶体处于连续通电的状态，无法实现「0」与「1」的切换、影响晶片的稳定性与计算准确性。

即便技术再精进，也无法继续缩小晶体管的尺寸。目前可实现量产的最先进的制程达到3奈米，如苹果最新的A17 Pro晶片，便是在103平方毫米的尺寸内塞下超过190亿个电晶体。

尽管FinFET之后还有GAAGET（环绕式闸极场效电晶体）、CFET（互补式场效电晶体）等架构续命，然而，台积电曹敏博士坦言，从场效电晶体（FET）取得PPA（效能、功耗、面积）成长效果递减，而为了延续高成长，台积电不排除新兴材料的发展；后CFET蓝图不乏2D TMD、CNT等二维材料。

传统技术路径将无法再继续缩小。然而，晶片技术的未来并不仅仅依赖于电晶体的微缩，新的材料、存算一体技术以及量子运算等同样提供新的发展方向。AI的发展有望为未来的科技行业带来新的突破，正如过去胡正明教授的FinFET技术打破35奈米的瓶颈，新的创新将再次推动晶片技术迈向新高度。