目前，手機處理器是7nm，臺積電即將量產5nm晶片，未來還有3nm、2nm，甚至1nm。根據臺積電研發負責人在談論半導體工藝極限問題時，認為到了2050年，電晶體可以達到氫原子尺度，即0.1nm，那麼半導體工藝的“物理極限”是什麼呢？

    首先，我們瞭解一下晶片的製程工藝。華為的麒麟990處理器，指甲殼大小，集成了上百億的電晶體，單個電晶體的結構如下圖所示▼。

    通常來說，製程工藝越小，電晶體刪長越小，電流通過時的損耗越少，表現出來就是手機常見的發熱和功耗。同時，單位面積的晶片可以容納更多的電晶體。因此，晶圓代工廠不斷的升級技術，力求將柵極寬度做的越來越窄。然而，工藝的提升會受到光刻機技術、晶片“物理極限”等多方面因素的限制。

    ①更換材料。目前，晶片採用的是矽基半導體結構，根據臺積電的規劃，今年實現5nm工藝，2022年實現3nm工藝，2024年實現2nm工藝，正在逼近1nm。2017年，IBM科研團隊在實驗室環境下，使用碳奈米材料，製造出了1nm的電晶體，1nm工藝後的晶片，可能採用奈米片、碳奈米管等新材料。

    ②結構的升級。目前，晶片製造採用了FinFET結構，隨著工藝的提升，FinFET技術探底，新的結構將會誕生。2nm技術節點將會愛用Forsheet結構，1nm節點是採用CFET結構。

    不過，晶片製造總是有“物理極限”的，將會產生“量子效應”，PN接面不能形成之前的工作狀態，無法表現出0和1這種狀態，取代數位電路的技術可能就是“量子計算”了。

晶片最小能做到多小？目前的矽基物質材料晶片，已經做到5nm大小。臺積電公司預計2020年底2021年初可以量產5nm晶片。而三星電子預計2022～2023年可以量產3nm矽基晶片。根據相應的物理定律，矽基晶片最小可以做到3nm。達到3nm之後的矽基晶片該如何突破？答案可能在新材料上。

目前已經在“碳奈米管，砷化銦鎵，氮化鎵”這三種材料用於製造晶體管了，並且取得了一些進展。

1.

碳奈米管。2019年美國一個科研團隊就在碳基晶片上集成了1.4萬個碳奈米管電晶體，但是相比於如今矽基晶片上數十億個電晶體的確是有天壤之別。所以說，碳奈米管制作電晶體還有很長的一段路要走。中國已經研製出了3奈米的碳奈米管，正在向0.5奈米的碳奈米管進發。

砷化銦鎵，在2012年，受早期關於奈米線電晶體和超晶格結構研究的啟發，科研人員就用砷化銦鎵構造了三層奈米片器件電晶體，最終實驗結果好於預期。

氮化鎵。對於這一名稱我們比較陌生，不過相信對有源相控陣雷達比較瞭解的讀者就比較清楚了，使用氮化鎵T/R元件的有源相控陣雷達的效能，要比使用砷化鎵T/R元件的有源相控陣雷達效能強的多，更比使用矽電晶體作T/R元件的有源相控陣雷達效能更強的多。三種材料之間的差距基本上就相當於SPY-6和346B和346雷達之間的差距所以說，使用氮化鎵技術後，晶片的效能可以得到較大的提升。目前來看，氮化鎵已經被用於5G技術了。

不過，只要是晶片的執行規律還是通過電晶體實現的話，那麼光刻機還是必不可少的。原因是需要將設計好的電路圖復刻到晶片上。也就是說，晶片實現其功能的基本物理原量沒有變化。光刻機，蝕刻機還是少不了的。在使用光刻機的前提下，國內技術也只能達到追平國際先進技術，等晶片發展到極限時，就沒有進一步發展的空間了。

我們現在使用的晶片都是基於半導體材料矽製作而成即矽基晶片。

矽基晶片

矽原子大小半徑為110皮米，也就是0.11奈米，直徑0.22nm。雖然3D電晶體的出現已經讓晶片不再全部依賴製程大小，而製程工藝的提升，也意味著會決定3D電晶體橫面積大小，不過，在不破壞矽原子本身的前提下，晶片製造目前還是有理論極限的，在0.5nm左右，之所以不是0.2nm，是因為本身矽原子之間也要保持一定的距離。而從實際角度上看，我們現在能做到的是量產5nm，所以0.5nm這個理論極限在目前的科學技術上看，幾乎是不可能的。

就目前來看臺積電、三星都相繼進入了5nm晶片量產和3nm晶片的研發，臺積電更是率先進入了2nm晶片技術的研發。據臺積電披露，5nm和3nm晶片都是過度，2nm晶片才是臺積電終極目標，而2nm晶片一旦實現量產，也就意味著晶片已經達到了其物理極限，沒有後續發展的空間了。

碳基晶片

目前在有部分公司已經把目光轉向了碳基晶片的研製工作，碳基晶片就是微電子和光電子結合的晶片，被認為是未來的晶片技術。

2017年的《自然·通訊》上刊登了完全用碳製成運算元件的設計方案，其可以被製造的更小，且效能更好，從而取代矽電晶體。這樣全新的晶體材料可以讓新計算系統的通訊速度提升1萬倍，時鐘頻率有望達到每秒一萬億次，比當前主流計算機快1000倍。另外，新原件能被製造得比矽基電晶體小得多。

很榮幸能夠回答這個問題。現在大家因為華為被美國製裁，晶片要靠臺積電代工，這些相關的資訊，大家都瞭解了手機處理器，晶片有14nm、7nm、5nm等，晶片逐步在向小發展，今年臺積電將量產5nm晶片，正在研究3nm晶片，那麼晶片最小能做到多少奈米呢，以後還能不能突破瓶頸？

那麼，大家對晶片最小能夠做到2nm，中國碳基半導體材料實現突破有什麼看法嗎？

最後就是摩爾定律了，在摩爾定律的限制下，晶片的製程工藝為3奈米。但是能否做出小於3奈米的晶片並讓其穩定的執行，還需要展開相關的實驗。

到時候肯定有新的材料技術代替舊的，就像是在以前硬碟在某個時段大家都覺得生產工藝突破不了2g的容量，後來的容量按T算

我感覺電子工業發展的極限還沒到來，我覺得晶片元件最小尺寸可以做到2pm級別，那樣的話，光刻機還有一百年的發展歷程，中國有機會攻上去，現在光刻機鐳射波長在100nm級別，說明還可以做到更短，比如1nm波長，那就是不可見光了，能用就行，那時候，晶片體積縮小了一千倍，是不是能力相當於現在的一千個手機晶片那麼強？那樣的話，每一個手機就是一個雲端計算節點，包含當前一千臺計算節點能力，可以滿足部署一個智慧城市的計算能力需求，再加上端到端6G互聯通訊技術，每秒傳輸資料能力在1PB/秒，那時候，計算和通訊就再也不是問題，所有的計算和應用，都是眨眼完成的速度，你能知道，你想知道的一切！

我要知道晶片達到了極限能如何突破瓶頸，那我現在就是全中國最牛的人了。你拿這個問題問我，可真的是太看得起我了。

幾年前極限是6，7nm吧，用傳統源極漏極柵極結構，隨著溝道的變窄，電子的導通關閉越來越難控制，後來一個科學家，美國的吧，提出了一種立體結構，雖然溝道變窄了，但是立體結構對電子控制能力加強了，然後極限推進到了2，3nm，現在5nm投產了吧 3，4nm在建廠，估計怎麼也得5年到下一個極限。2，3nm極限到來時估計就該換材料了。

從目前半導體行業發展的趨勢來看，晶片發展的極限在2-3nm左右，目前全球領先的晶片代工企業是臺積電，晶片製程工藝為5nm。在晶片製程發展到瓶頸以後，最有可能的發展趨勢是將矽元素替換成其它元素用以發展。

晶片，作為全球半導體行業最重要的載體，晶片的製造包含以下幾個方面：晶片的設計、晶片的製造以及後期的封裝測試。而在這三大步驟之中，晶片的製造是最關鍵的一步，也是最有科技含量的一步。目前全球範圍晶片的設計、原材料提供、代工以及後期的封裝測試已經形成了一條完整的產業鏈，各企業之間的分工與合作也不斷加深，其中代工晶圓製造的企業包括臺積電、英特爾以及三星，在這三者之中又以臺積電的技術最為先進，目前臺積電的晶片製程工藝已經來到了5nm的水準，而其它代工企業還在7nm甚至是14nm處徘徊。