《自然》重磅！MIT突破性芯片技術或打破摩爾定律，讓手機變超算

今天可能又有一個震撼性的重磅突破，發佈在12月18日頂刊《自然》雜誌上。麻省理工發明了一種新的二維到三維的芯片技術，直接無視摩爾定律，可能會徹底改變芯片構建方式，讓我們的手機變身超級計算機。

爲什麼這項技術可能是大突破呢？我們現在的芯片，就像一個超級大城市，裏面有無數的小房間，也就是晶體管，用來處理和存儲數據。

只是這些房間都是小平房，建造在硅晶圓基板上，換句話說，這是一個二維的巨大城市。我們想讓芯片性能增強，一是增加晶體管，也就是小房間的數量，但現在最大的晶圓也就12吋，30釐米，沒法再擴大芯片城市的面積了。

二是縮小房間面積，把房間數量增多，但現在每個房間已達極限，只有幾個原子大，幾納米，也就是頭髮絲的10萬分之一，很難再縮小了，這就是所謂摩爾定律的極限。

那要怎麼辦呢？聰明如你肯定想到了，那把平房重疊起來，蓋成樓房，變成三維大城市。但這裏有個大問題，蓋樓房的樓板，也就是硅基板太厚了，大約是在微米級別，也就是1000納米左右。

你可以想象你住的房子，一間房子只有3米高，但樓板卻厚達1公里，這蓋8層樓就到珠穆朗瑪峯了，這樓房怎麼蓋啊？

最關鍵是芯片要運算，晶體管之間就必須通過導線連起來才能實現通信，也就是要在樓板上打無數的洞來安裝管線，這叫硅穿孔技術，這些洞必須精確對齊，稍微有點差錯，芯片就成廢片了。

打孔不僅浪費大量芯片面積，還會影響結構穩定性，最要命的是會嚴重影響各層"房間"之間的通信效率。在這樣的城市裏你住2樓，就得坐1公里的電梯才能到達，8層就得攀登珠穆朗瑪峯，這交通通信效率，肯定會讓城市功能大受影響。

而麻省理工這次的突破，就是把樓板厚度降到了幾十米，你說這效率會翻多少倍？

那麼他們具體是怎麼做的呢？簡單來說，他們使用了一種叫過渡金屬二硫化物（TMDs）的新型材料，這種材料就像三明治一樣，由三層原子構成，一層金屬原子夾在兩層硫原子之間，厚度約在0.6-0.7納米之間。

夾雜金屬鉬的二硫化物可以製成n型晶體管，夾雜金屬鎢的二硒化物則用來製成p型晶體管，從而構成邏輯運算的基本單元。

房間（晶體管）有了，樓板科學家們採用了非常薄的二氧化硅掩膜，厚度爲15納米，再加上絕緣層、電極和溝道層，總厚度約爲35納米。

比起1公里厚的樓板，35米是不是上下樓方便快捷多了？最關鍵的是，在1公里厚的硅基板上打孔，和幾十米的硅掩膜上打孔，成本和難度都會大大降低，這爲實現更密集的三維集成奠定了基礎。

當然，上面說的這些都是比喻，實際構建這種芯片仍然非常複雜，需要通過種子沉積、低溫生長、多層堆疊等多項技術，並嚴格控制溫度，才能確保每一層都能以高質量的單晶形式生長。

那麼這種芯片的性能呢，你只需想想就知道了，如果按傳統芯片8層來算，這座芯片城市的高度將和珠穆朗瑪峯一樣高，而MIT這項技術構建的芯片城市，高度就只有300米左右了，這意味着交通（通信）速度和芯片處理速度的巨大提升，以及能耗的極大降低。

而根據科學家們的說法，這種技術可以生長出數十到數百個邏輯層和內存層，這意味着可以把芯片城市建成數百層高的高樓大廈羣，這不就是新德里和上海的區別嗎？

可以想象，麻省理工這項技術的成功，不僅意味着芯片性能的指數級提升，還爲人工智能（AI）硬件的發展打開了新的大門。未來的筆記本電腦、智能手機甚至是智能手錶，都可能擁有和超級計算機一樣強大的處理能力，同時保持輕薄便攜。另外這種技術還將大幅提升數據存儲能力，讓個人設備的存儲容量可以與現在的物理數據中心相媲美。

所以這項技術是一個重大突破，將可能徹底改變電子產品的未來，這樣說可能一點也不爲過。有趣的是，這項研究雖然以麻省理工爲主，但從論文署名來看，除了一個可能是中文人名外，其餘都是韓國人名，參與機構包括韓國三星及成均館大學，這意味着這項研究是韓美兩國合作的。

最後照例附上論文鏈接，大家可以去批評指正一下。特別說明，文中數據主要參考同一團隊2023年12月發佈在預印服務器的前期論文，以及其他科學文獻。

參考文獻：

Kim, K.S., Seo, S., Kwon, J. et al. Growth-based monolithic 3D integration of single-crystal 2D semiconductors. Nature 636, 615–621 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08236-9