世界上最高的芯片突破了计算极限：摩尔定律要终结了吗？

几十年来，电子技术的发展遵循着一条简单的原则：越小越好。自20世纪60年代以来，每一代新型芯片都在更小的空间内集成更多的晶体管，完美地诠释了著名的摩尔定律。这条定律由英特尔联合创始人戈登·摩尔于1965年提出，它预测集成电路中的晶体管数量大约每年翻一番。然而，这场追求极致微型化的竞赛正接近物理极限。如今，一个国际科学家团队提出了一个既显而易见又具有革命性的解决方案：既然我们无法继续缩小芯片尺寸，那就提高芯片的体积。

沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究员及其团队设计了一种芯片，该芯片由41层垂直排列的半导体和绝缘材料构成，其层数约为以往任何芯片的十倍。这项研究成果近期发表在《自然·电子学》杂志上，不仅代表着一项技术里程碑，也为新一代柔性、高效且可持续的电子设备铺平了道路。

研究人员解释说：“将六层或更多层晶体管垂直堆叠起来，可以在不缩小器件横向尺寸的情况下提高电路密度。与单层晶体管相比，六层晶体管可以在相同面积内集成多600%的逻辑功能，从而实现更高的性能和更低的功耗。”

摩尔定律大约在2010年开始失效，当时芯片制造商遇到了物理定律的限制。如今的晶体管只有几纳米宽，小到量子效应开始干扰其运行。“摩尔定律在传统硅微电子领域已接近物理极限，但创新仍在继续，并朝着新的方向发展。我们不再继续缩小晶体管的尺寸，而是探索新材料、新架构和新的可能性，例如堆叠技术，”研究人员说道。

晶体管摩天大楼

为了帮助大家理解团队面临的技术挑战，研究人员用建筑学作比喻：“把每一层晶体管想象成摩天大楼的楼层。如果其中一层不平整，整栋楼都会变得不稳定。” 实验成功的关键在于控制他们所谓的“界面粗糙度”：层间任何微小的缺陷都可能扰乱电子流动，从而大幅降低芯片的性能。

这项根本性的突破在于开发了全新的制造策略。关键在于确保所有层都在室温或接近室温的条件下沉积，从而保护下方已构建的层。这种低温制造并非仅仅是技术细节。“大多数柔性或有机材料无法承受高温，”研究人员解释道，“传统的半导体工艺温度通常超过400°C，这会导致这些材料熔化或变形。”他补充道。将整个工艺保持在接近室温的条件下，就可以使用塑料或聚合物基材，从而为未来的柔性电子产品铺平道路。

为了验证其设计的可行性，研究团队制作了600个芯片，所有芯片的性能都相近。研究人员利用这些堆叠芯片实现了基本运算，其性能与传统的非堆叠芯片相当，但功耗却显著降低：仅为0.47微瓦，而目前最先进的器件的典型功耗为210微瓦。

这项技术最早会应用在哪里？研究人员表示：“首批应用很可能是可穿戴健康传感器、智能标签和柔性显示器，这些应用对低功耗和机械柔韧性要求极高。” 从长远来看，该团队设想开发大面积计算表面——本质上是能够感知、处理信息并通过物体或整个结构进行通信的“电子皮肤”。虽然这些新型芯片可能不会用于超级计算机，但它们在诸如家用电器等设备中的应用可以显著降低电子行业的碳足迹。

研究人员解释说：“我们开发的电路是为这类系统设计的，在这些系统中，机械灵活性、低成本和可扩展性比极致速度更为重要。”这位研究人员认为，他的研究为计算领域开启了一扇新大门：“它表明，性能的提升不仅可以通过缩小器件尺寸来实现，还可以通过在三维空间中更智能、更高效地集成器件来实现。”