近日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》刊發(fā)了一項(xiàng)來(lái)自北京大學(xué)電子學(xué)院彭練矛院士、邱晨光團(tuán)隊(duì)的重磅成果：

全球首款1納米物理柵長(zhǎng)鐵電晶體管研制成功，在極低電壓下實(shí)現(xiàn)極致功耗控制，電壓效率直接提升125%，創(chuàng)下鐵電器件領(lǐng)域全新世界紀(jì)錄。

這不僅是芯片基礎(chǔ)研究的重大突破，更為后摩爾時(shí)代的低功耗芯片、存算一體、AI算力硬件提供了一條全新的“中國(guó)路徑”。

一、什么是1納米柵極？為什么它如此重要？

在芯片領(lǐng)域，柵長(zhǎng)直接決定晶體管的尺寸、速度與功耗。

目前全球最先進(jìn)的量產(chǎn)工藝已逼近2nm，而真正卡在物理極限的，正是柵極尺寸無(wú)法無(wú)限縮小。

傳統(tǒng)鐵電晶體管有一個(gè)致命痛點(diǎn)：

想要讓鐵電材料極化翻轉(zhuǎn)、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，必須施加較高電壓，導(dǎo)致功耗高、發(fā)熱大，一旦尺寸縮小，性能會(huì)急劇惡化。

北大團(tuán)隊(duì)給出的答案是：

把柵極直接縮到1納米物理長(zhǎng)度，利用尖端“電場(chǎng)匯聚效應(yīng)”，用極小電壓激發(fā)出極強(qiáng)的局部電場(chǎng)，四兩撥千斤地驅(qū)動(dòng)鐵電翻轉(zhuǎn)。

簡(jiǎn)單說(shuō)：

以前是“大力出奇跡”，現(xiàn)在是精準(zhǔn)控電場(chǎng)。

二、性能有多強(qiáng)？一組數(shù)據(jù)看懂全球第一

這項(xiàng)1納米鐵電晶體管，直接刷新多項(xiàng)紀(jì)錄：

- 物理柵長(zhǎng)：1nm（全球最小鐵電晶體管）

- 工作電壓：0.6V（低于當(dāng)前主流芯片電壓）

- 單位能耗：0.45fJ/μm（比現(xiàn)有最優(yōu)水平低兩個(gè)數(shù)量級(jí)）

- 電壓效率：提升125%，突破鐵電材料理論極限

- 工藝兼容：可直接對(duì)接現(xiàn)有CMOS產(chǎn)線，具備量產(chǎn)潛力

它實(shí)現(xiàn)了更小尺寸、更低電壓、更低功耗、更高可靠性的四重突破，是真正意義上的下一代存儲(chǔ)與計(jì)算核心器件。

三、和現(xiàn)有主流鐵電晶體管相比，優(yōu)勢(shì)到底在哪？

為了讓你更直觀理解，我把它與當(dāng)前行業(yè)最先進(jìn)的HfO?基鐵電晶體管做一次簡(jiǎn)明對(duì)比：

1. 尺寸極限

- 現(xiàn)有主流：柵長(zhǎng)多在幾十納米級(jí)別

- 北大1nm：直接進(jìn)入亞1nm終極尺度，逼近硅基物理極限

2. 工作電壓

- 現(xiàn)有主流：普遍 ≥ 0.7V

- 北大1nm：0.6V即可穩(wěn)定工作，更低電壓=更低功耗

3. 功耗水平

- 現(xiàn)有主流：微瓦/納瓦級(jí)

- 北大1nm：飛焦級(jí)超低能耗，差距達(dá)到100倍以上

4. 核心機(jī)制

- 現(xiàn)有主流：靠高電壓強(qiáng)行極化翻轉(zhuǎn)

- 北大1nm：電場(chǎng)匯聚增強(qiáng)，小電壓實(shí)現(xiàn)強(qiáng)操控，原理更先進(jìn)

5. 產(chǎn)業(yè)化前景

- 現(xiàn)有主流：工藝復(fù)雜、集成難度高

- 北大1nm：兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，可量產(chǎn)、可落地

可以說(shuō)，這不是簡(jiǎn)單的性能提升，而是底層原理的代際跨越。

四、這項(xiàng)技術(shù)，將改變哪些行業(yè)？

1nm柵極鐵電晶體管，不是實(shí)驗(yàn)室里的“花瓶技術(shù)”，它將直接影響未來(lái)5–10年的芯片格局。

? 手機(jī)與可穿戴設(shè)備

更低功耗意味著超長(zhǎng)待機(jī)、更強(qiáng)續(xù)航、更冷靜的機(jī)身，未來(lái)智能手表、耳機(jī)、AR/VR設(shè)備將迎來(lái)續(xù)航革命。

? AI與邊緣計(jì)算

存算一體架構(gòu)將真正落地，AI推理功耗大幅下降，端側(cè)智能更強(qiáng)大、更省電。

? 數(shù)據(jù)中心與超算

解決算力暴漲帶來(lái)的能耗危機(jī)，讓高密度、低功耗AI芯片成為可能。

? 物聯(lián)網(wǎng)與智能硬件

海量傳感器、智能終端可以做到微安級(jí)功耗，真正實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)。

在后摩爾時(shí)代，當(dāng)制程逼近物理極限，新材料、新結(jié)構(gòu)、新原理才是真正的勝負(fù)手。

五、中國(guó)芯片，正在從“跟跑”走向“領(lǐng)跑”

彭練矛院士團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期深耕碳納米管、超低功耗器件、后摩爾器件領(lǐng)域，此次1納米鐵電晶體管的突破，再次證明：

中國(guó)在芯片基礎(chǔ)研究與原創(chuàng)器件領(lǐng)域，已經(jīng)具備世界一流實(shí)力。

更重要的是，該技術(shù)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，核心專利、設(shè)計(jì)方案、工藝路線均由北大團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成，不受外部限制。

從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)，預(yù)計(jì)3–5年可逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地。