沈书逸

（中南大学材料科学与工程学院 湖南 长沙 410083）

1 引言

1965年，英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)经过总结和分析，提出了著名的“摩尔定律”，即在成本不变的基础上，每隔约18～24个月集成电路芯片上的元器件数目便会翻一番，芯片性能随之提升1倍。一直以来，这一分析推论准确预测和推动了信息技术进步的速度，但随着晶体管电路逐渐接近物理极限，这一定律终将走向极限[1]，终将会因为漏电流和高温被终结[2]。

2 硅基CMOS技术的局限

在多个“摩尔定律”周期的反复迭代后，芯片器件的尺寸越来越小，集成密度越来越高，硅基芯片的局限性也越来越突出。主要表现有：（1）随着硅芯片工艺迈进10nm以下后，单个晶体管的物理尺寸进入了量子物理与介观物理的范畴，产生如费米能级钉扎效应、量子隧穿等物理现象[3]，将硅芯片尺寸的设计带入了极限。（2）当芯片工艺进一步逼近5 nm及其以下后，电子可自行穿越源极和栅极，从而造成“0”“1”逻辑错误，产生隧道效应。（3）在晶体管密度增加同时，处理器的功耗密度也在急速提升，2010年的CMOS相比1997年的产品能耗密度增加了10万倍。功耗的增加带来了封装成本上升、可靠性能下降等问题。（4）当集成电路工艺达到20 nm和14 nm时，生产成本快速提升，有悖摩尔定律中集成度提升是在成本不变基础的前提，使得单纯缩小线宽失去了市场价值[4]。

IBM认为，7 nm工艺是一个关键技术节点，我们不得不放弃硅作为芯片的基本材料[5]。IBM公司在2015年发布的7 nm芯片所采用的材料便是锗硅沟道晶体管而不是硅。……