1nm工艺制程并不是芯片的极限

今年3月份台积电与台湾国立交通大学的研究团队因为成功开发出了大面积晶圆尺寸的单层氮化硼（BN）而登上了《自然》杂志，厚度仅0.7nm。这也是台积电首次登上如此权威的期刊。

随着晶体管的尺寸不断缩小，目前即将达到传统半导体材料的物理极限。厚度仅有原子层厚度的二维原子层半导体材料可以解决晶体管微缩瓶颈，它可以有效阻隔二维半导体不受临近材料干扰，可望借此进一步开发出2nm甚至是1nm的晶体干工艺制程。

晶体管的极限在于原子核大小

观测单个原子，可以通过扫描隧道显微镜（STM），传统的光学显微镜肯定是无法直接分辨出单个原子的，因为原子的尺寸比可见光波长要短得多。扫描隧道显微镜不仅能够分辨出单个原子，甚至还能精确操纵单个原子。

芯片是35项卡脖子技术之一。华为、阿里、百度纷纷推出自研芯片。在国家的扶持和资本的推动下，国内芯片企业遍地开花。一时之间，仿佛所有厂商都宣布要做芯片；大厂都在做，小厂也要做。

目前台积电7nm订单充足。业界估算其累积投资达250-300亿美元，月产能约为100000片，一统7nm江湖，台积电预计其将贡献30%收入。

6nm制程将按照计划于年底实现量产，比7nm加强版多了1层EUV（极紫外光刻）光罩层。

5nm也已准备好下半年进行量产。相比前辈们，5nm制程增加了更多EUV光罩层，下半年开始进入量产，预期收益将占总收入的10%。业界估算其投资达250亿美元，月产能50000片，后续将扩充至70000-80000片。

更重要的是，3nm也完全没有因疫情而延缓的意思。根据gizmochina报道，今年建厂、明年试产，2022年下半年量产。业界估算其投资约为200亿美元。

从目前的芯片制程技术上来看，1nm（纳米）确实将近达到了极限！为什么这么说呢？芯片是以硅为主要材料而制造出来的，硅原子的直径约0.23纳米，再加上原子与原子之间会有间隙，每个晶胞的直径约0.54纳米（晶胞为构成晶体的最基本几何单元）！1纳米只有约2个晶胞大小。

1纳米单位到底有多小？

纳米也属于长度单位，可能很多人不了解它到底有多小？毫米（mm）、厘米(cm)、米(m)大家都比较熟悉，10mm=1cm，100cm=1m，1mm=1/1000m。单位长度由大到小排列依次为：米(m)、分米（dm）、厘米（cm）、毫米（mm）、微米（μm）、纳米（nm），1m=1000mm，1mm=1000μm，1μm=1000nm，即1nm=10^-9m，相当于1米平均分成10亿份！每一份为1nm。

芯片工艺突破到1nm到底有多难？

目前国际上比较成熟的芯片工艺为7nm，7nm芯片已经实现量产阶段，而且正在向5nm技术突破，马上就可以实现量产！比如台积电，作为全球最大的半导体代工厂，目前可以量产7nm芯片，受美国要求禁止台积电为华为提供芯片之后，台积电接受美国，打算投资120亿美元在美国建厂，用于生产5nm芯片！计划2021年开始动工，3年后可实现量产！

芯片制造工艺真的能够到1nm的话，要想再压缩芯片制造工艺。我个人看法是不太可能了。因为1nm已经到极限了，将来的出路恐怕已经不是电路CPU芯片了，而是光子CPU或者量子CPU。一切皆有可能。

1、电子CPU已经快到极限了

电子CPU时代，制造工艺的提高，只是让我们在单位面积中布置更多的晶体管。更多的晶体管带给CPU也就是增加内核，增加缓存等等来提高性能。到了1nm以后，想再增加已经非常苦难。就算有可能增加，但对CPU提升性能来说已经不具备性价比了。

感谢您的阅读！

【摩尔定律之殇？芯片1nm之后是否无路可走？】

我们一直认为摩尔定律一定不能够打破，事实证明，摩尔定律它只是一种经济规律，而且是一定时间段的经济规律：

当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。

不过，到目前为止，随着技术的不断发展，摩尔定律也慢慢的在进行演变。甚至于摩尔定律到现在为止并没有落后于这个时代，只是它的形式已经超脱了当时制定摩尔定律的思考边界。

普通人能够想到的问题，科学探索展望己经进行很多年了。

硅原子直径在，0.28纳米，电子的直径在0.03纳米，它们还必须有足够的运动空间，所以微电子芯片能作到1一2个纳米，在理论上己经接近极限了。

目前三星和台积电的芯片制成工艺最前卫，分别在制成5纳米，研发3纳米芯片的梯队中追逐。

可以预见离终点也就5到10年的发展空间了。

由于涉及到国际关系问题、涉及到中国企业的崛起，芯片一直是国人关注的重中之重。中国能不能在芯片上弯道超车，能不能在1纳米以及以下的芯片研发里面找到中国出路？

科技是不断向前发展的，2纳米是主流半导体材料（硅）的极限，但绝对不应该是芯片的极限，中国有希望从芯片上实现1纳米以及以下的关键突破吗？

硅晶体是目前最顶尖的芯片材料，受材料学研究的限制，硅芯片已经到达了极限。具体来说，硅原子的直径是0.25纳米左右，硅晶胞（由原子组成的、构建晶体的最基本单位）的直径是0.5-0.6纳米。如果再考虑到后续的排列组合问题，2纳米或许就已经是硅的极限了。

硅这条发展道路已经走到极限了，想要拿出更具有创新性、有价值的芯片，就必须在材料上下功夫，拿出更好的、更加轻便和实用的新材料。

就目前的发展现状和制造情况来看，目前的硅基芯片马上要到极限了，将来只有寻找另外的出路了。为什么说现在的硅基芯片发展到摩尔定律的极限了呢？

硅基芯片

目前已经量产的是台积电5nm制程工艺，台积电的规划，2022年量产3nm工艺，2024年量产2nm工艺，目前正在研究1nm制程工艺。

以硅基芯片来看，制程越小，相同芯片面积单位上能容纳更多的晶体管，也能增加多个运算核心，使得运算速度更快发热量更少。另外，相同尺寸的晶圆，制程更小，可以在同面积晶圆上获得更多的芯片，降低成本。这也是目前硅基芯片追求小制程的原因。

但是，硅原子直径有0.28纳米，电子的直径0.03纳米，加上他们之间必须有足够的运动空间，所以理论上来说现目前的硅基电子芯片的极限是1~2nm。

到达极限之后怎么办？寻找其它材料。

做芯片是追赶，要超越不再是芯片，必须有更大的创新，另辟蹊径。

如果没有创新，即便是苦苦追赶做出了满意的芯片，很快人家不再用芯片了，未来将会出现分布式无芯量子计算机，无芯人工智能。我们还得再回过头来追赶！没有创新只能是永远的落后，永远的追赶。

开阔思路，打开脑洞看我写的预言科幻《奇遇未来》。

《奇遇未来》神预言！预见未来千万年！

衣食住行全涉及，生老病死都改变。

上世纪六十年代至今，在一个指甲盖大小的硅片上，从起初的几十只晶体管到如今的上百亿晶体管只用了五十多年时间，可见晶体管数量以惊人的增长着。

孕育了一条经验定律摩尔定律的诞生，其基本内容：当价格不变，芯片上可容纳的元器件数目约每到2～3年便会增加一倍，性能也将提升一倍。

每经过一个周期，芯片上集成的元件数目因提高2n倍。例如麒麟990旗舰芯片，历史性的塞进去103亿晶体管，是全球首次在一颗芯片塞进去上百亿晶体管。若现在n以103亿晶体管为基数，还能坚持多个周期？由此可见，摩尔定律可能会寿终正寝。

一个有意思的问题，麒麟990麒麟芯片和A13芯片，前提足足高出后者18亿颗晶体管，而且前者拥有7nmEUV工艺。

从理论上来说，芯片上的晶体管数量越多，性能越强，可是两者在跑分情况上，后者强多了。