参考消息网11月8日报道 据日本《朝日新闻》11月5日报道，半导体的小型化如今已经发展到只有头发丝直径10万分之一的“纳米”级别。由于对技术创新和超精密加工的要求较高，半导体小型化似乎也遭遇到某种瓶颈。不过，全世界的研究人员仍然热衷于制造更小的半导体。
半导体越小，意味着在一块芯片上集成的晶体管数量就越多，性能也就越高，还可以减少电力消耗，通过缩短电子的移动距离亦可以提高运算速度。
目前，逻辑半导体中使用的最先进晶体管是台积电和韩国三星电子制造的3纳米晶体管。苹果的iPhone15 Pro就搭载了约190亿个3纳米晶体管。
2纳米即将量产
关于半导体性能的摩尔定律广为人知。美国英特尔公司联合创始人戈登·摩尔早在半个世纪前就预言“半导体的集成度每一年就会翻一番”，之后他对自己的说法进行了修正，改为“每两年翻一番”，业内也一直将此奉为半导体小型化的指导方针。
这里所说的3纳米其实并不是用来表示实际长度。以前它指的是栅极长度，即电子移动的距离，以纳米为单位。
但是简单地推进晶体管横向的小型化会引发电流流过绝缘体的问题，因而在本世纪初逐渐显现出局限性。
作为一项突破，人们开始将晶体管改造成立体的结构，以便精准控制电流。这样一来，从本世纪10年代的22纳米开始，基于栅极长度的比较变得毫无意义。由于结构的改进导致半导体的面积减小和性能提高，人们不再用栅极长度作为衡量标准，而是索性使用“纳米”来标记半导体的性能。
由于立体结构也无法完全控制电流，于是人们又想出了名为“GAA型”的新类型，其结构是将电流流动的部分制成薄的“纳米薄膜”，并留出空隙纵向堆积，这样一来就可以更好地控制电流。
三星很早就宣布以GAA结构制造3纳米制程芯片。到了2纳米阶段，除三星外，美国国际商业机器公司(IBM)、英特尔、台积电等也在试制上取得成功。据说台积电和三星的目标是在2025年内实现量产。
在这样的背景下，由日本电气公司和丰田等8家日本企业出资建立的Rapidus也宣布将于2027年开始量产2纳半导体片，其位于北海道千岁市的工厂已经开建，且得到了IBM的技术支持。10月初，“后端工艺”研发基地也已经开工建设。
日本的半导体量产技术还停留于40纳米的水平，现在索性决定直接挑战2纳米。Rapidus企划部高级总监小山明夫认为：“现在是入场的好时机，因为晶体管的结构正在发生巨大变化，设备投资也在增加。不言而喻，作为一项重要的战略物资，在日本国内掌握尖端半导体的制造能力非常重要。”
下个目标是埃米
眼下，半导体的小型化已经达到什么水平了？
比利时研究机构校际微电子中心发布的时间表给出了2037年实现0.2纳米和2039年实现0.2纳米以下半导体的规划方案，也就是说半导体将进入“埃米”时代，埃米指的是十分之一纳米。
日本产业技术综合研究所计划在2025财年之前试制GAA型2纳米半导体，与此同时还将着眼于1.4纳米、1纳米甚至是下一代半导体推进相关研究。
不仅是半导体的结构，制造半导体的材料也需要创新。
日本国立材料科学研究所特聘研究员知京丰裕表示：“随着硅片越来越薄，其表面的粗糙度变得明显，这会导致电子发生散射，这就需要原子级别的、平整的二维材料。”
此外还需要一种具有抵抗断裂性能的布线材料，合金被认为有望替代目前使用的铜。以十年为目标，研究人员正在利用人工智能(AI)加快半导体的研发速度。
知京认为：“虽然半导体小型化的速度已不如之前，但高性能和低耗电量带来了巨大的实惠，这使得对于小型化的追求不会停步。”随着生成式AI的普及，计算量和耗电量都将出现爆发式增长，因此研发更加省电的半导体已是迫在眉睫。
有人说，半导体小型化已经达到极限，摩尔定律即将失效。
但小山预计：“只要人类还在追求财富和经济增长，对于半导体小型化的需求就不会消失。为了回应这种需求，总会有新事物出现，有更好的技术问世。眼下，这种循环还会继续。”
4月26日在日本北海道千岁市拍摄的Rapidus公司建设中的新半导体工厂（法新社）
