美國普渡大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究人員推出了一項(xiàng)極為應(yīng)景的新發(fā)明：一種外形如同一顆圣誕樹一樣的新型晶體管，其重要組件“門”（柵極）的長度縮減到了突破性的20納米。這個(gè)被稱為“4維”晶體管的新事物預(yù)告了引領(lǐng)半導(dǎo)體工業(yè)和未來計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展的潮流。該研究成果將于12月8日至12日在舊金山舉行的國際電子元器件會(huì)議上以兩篇論文的形式提交。

4維晶體管實(shí)際是采用新型材料和新結(jié)構(gòu)的3維晶體管

平面結(jié)構(gòu)的硅芯片晶體管一直沿用了半個(gè)多世紀(jì)，直至去年英特爾公司研發(fā)出垂直3維結(jié)構(gòu)的晶體管，才宣告邁入了3維立體時(shí)代。但硅的電子遷移率存在局限性，普渡大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程教授葉培德（音譯）表示，若想進(jìn)一步改進(jìn)3維晶體管，很可能需要用其他材料來取代硅，其中最有前途的包括半導(dǎo)體材料砷化銦鎵。

新型“4維”晶體管中的3根微型納米線，正是由極具潛力、可望在10年內(nèi)取代硅的砷化銦鎵制成。納米線逐漸變細(xì)，形成了一個(gè)類似圣誕樹的錐形橫截面。葉培德形象地用樓房來比喻這種新工藝?！耙粋€(gè)平房可以容納很多人，但樓層越多，容納的人就越多，晶體管也一樣?！彼f，“將晶體管堆疊起來，就能帶來通過電流更多、操作速度更快的高速運(yùn)算。這種方法增加了一個(gè)全新的層面，因此我稱之為4維。”

3D晶體管的顯微結(jié)構(gòu)

晶體管通過“門”來實(shí)現(xiàn)開啟閉合，引導(dǎo)電流通過?！伴T”越小，意味著操作速度越快。在目前的3維硅晶體管中，“門”的長度大約為22納米（十億分之一米），這種微小尺度的“門”在傳統(tǒng)平面晶體管上是無法正常工作的。工程師們還計(jì)劃研發(fā)出更小長度的“門”，但尺寸減小到不足10納米同時(shí)性能得到進(jìn)一步提升，可能就需要采用硅以外的新材料了。

創(chuàng)建更小的晶體管也需要找到一種新型絕緣體作為介質(zhì)層來使“門”關(guān)閉。據(jù)稱，當(dāng)“門”的長度小于14納米時(shí)，傳統(tǒng)晶體管使用的介質(zhì)就無法正常工作，晶體管關(guān)閉時(shí)會(huì)發(fā)生漏電。

而此次開發(fā)出的新型晶體管中的納米線涂上了與以往不同的復(fù)合絕緣材料——一層4納米厚的鋁酸鑭，再加一層0.5納米厚的氧化鋁。葉培德說，新的超薄介質(zhì)讓研究人員研制的這種砷化銦鎵晶體管擁有長度為20納米的“門”，這是一個(gè)里程碑式的成果，有助于研制速度更快、更緊湊和更高效的集成電路以及更輕、產(chǎn)生更少熱量的筆記本電腦。

解讀1：什么是3維晶體管

一般桌面級(jí)處理器所使用的所有半導(dǎo)體晶體管集成電路都是2D的，即半導(dǎo)體晶體只生在平面內(nèi)，而3D晶體管卻生長上3維中，不僅集成度提高,而且可以減少50%以上的漏電流，這樣的設(shè)計(jì)在理論上所有半導(dǎo)體芯片今后可以減少一半的功耗。

3-D晶體管代表著從2-D平面晶體管結(jié)構(gòu)的根本性轉(zhuǎn)變。實(shí)際上科學(xué)家們?cè)缇鸵庾R(shí)到3-D結(jié)構(gòu)對(duì)延續(xù)摩爾定律的重要意義：因?yàn)槊鎸?duì)非常小的設(shè)備尺寸，物理定律成為晶體管技術(shù)進(jìn)步的障礙。3D的架構(gòu)則意味著平面到空間的轉(zhuǎn)換，以線動(dòng)成面、面動(dòng)成空間的基本常識(shí)來說，3-D晶體管可以看做是一種晶體管架構(gòu)的大幅度進(jìn)化。

3維與2維晶體管的比較圖

解讀2：什么是摩爾定律

摩爾定律是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出來的。其內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個(gè)月翻兩倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。

從2010年前后開始，半導(dǎo)體晶體管的性能遇到物理規(guī)律瓶頸，電腦性能提高速度已經(jīng)減緩，芯片廠商一直在考慮替代產(chǎn)品，2011年，英特爾公司開始生產(chǎn)3維芯片，據(jù)英特爾公司提供的數(shù)據(jù)，目前這款芯片的性能比上一代奔騰芯片提高了417%，而耗電量?jī)H為一半。

4維晶體管的性能應(yīng)該可以比這款3維晶體管芯片的性能再出現(xiàn)大幅度的提高。

英特爾公司技術(shù)戰(zhàn)略部主任保羅·加吉尼曾預(yù)言：2015年左右，部分采用了納米導(dǎo)線等技術(shù)的“混合型”晶體管將投入生產(chǎn)，5年內(nèi)取代半導(dǎo)體晶體管。這里所說的“混合型”晶體管實(shí)際上就是目前所研究的“四維”晶體管。