北京大學團隊開發出全球首款無矽晶片，比英特爾和台積電最新3奈米晶片快40%，能耗還低10%！這一劃時代成果2月14日發表在《自然-材料》上，被譽為”迄今為止速度最快、能耗最低的晶體管”，有望幫助中國實現晶片技術的”換道超車”，徹底重塑全球半導體產業格局。

晶片世界的新”黑馬”

長期以來，晶片產業一直被一個魔咒所困擾——你要么選擇高性能，要么選擇低功耗，很難兩者兼得。就像跑車，速度越快，油耗通常也越高。但北京大學彭海琳教授團隊打破了這個魔咒。

如果晶片創新是基於現有材料被視為“走捷徑”，那麼我們開發的二維材料電晶體就相當於“換道超車”。彭海琳教授在接受訪問時這樣形容他們的突破。

這項技術最令人震驚的是什麼？它完全拋棄了傳統晶片的基礎材料－矽，轉而採用鉍（Bismuth）基材料來建構電晶體。這就好比汽車業突然不用汽油，而是發現了一種全新的能源。

矽時代的終結？

自1960年代以來，矽一直是晶片的基礎材料。英特爾創始人戈登·摩爾提出的著名”摩爾定律”——晶片上的電晶體數量大約每兩年翻一番——驅動著整個產業不斷前進。但這個”定律”正在失效。

為什麼？

想像你正在把一塊巧克力切成小方塊。最初很容易，但當你想切得更小、更小時，刀子的精確度就成了問題。同樣，隨著電晶體尺寸不斷縮小，矽基晶片遇到了三大難題：

1.短溝效應：電晶體變得太小，閘極難以有效控制電流；

2、量子隧​​道：電子開始”穿透牆而過”，導致漏電增加；

3.功耗牆：微縮帶來的功耗飆升，讓晶片像小火爐一樣發熱。

當製程進入3奈米節點以下（一根頭髮絲直徑的約2萬分之一），這些問題就變得不可逾越了。

二維材料的逆襲

那麼彭海琳團隊是如何突破這些限制的呢？

秘密武器是一種稱為Bi₂O₂Se（硒氧化鉍）的二維材料。什麼是二維材料？就像一張紙——它雖然有長和寬，但厚度可以忽略不計，這就是”二維”的概念。

最神奇的是，這種材料只有幾個原子厚！

團隊採用了全新的電晶體架構－全環柵場效電晶體（GAAFET）。如果說傳統電晶體像是水流通過一個平面管道，而近年流行的鰭式場效電晶體（FinFET）像是水流通過一個凸起的鰭片，那麼GAAFET就像是水流完全被管道包圍，控制更精準。

這就像是從高樓大廈轉向連結橋樑的設計，讓電子流動更順暢。

讓數據”飛”起來

具體來說，這種新型電晶體有何神奇之處？

1.超薄通道：僅1.2奈米厚，相當於幾個原子疊加的厚度；

2.完美界面：Bi₂O₂Se與柵氧化物Bi₂SeO₅之間形成”天然”平滑介面，幾乎沒有缺陷；

3.極低工作電壓：僅需0.5伏特，遠低於矽基晶片的要求；

4.超高電子遷移率：高達280 cm²/Vs，電子”暢行無阻”。

通俗點說，這就像把崎嶇不平的鄉間小路變成了光滑的高速公路，電子在其中幾乎無阻力地流動，就像”水流過光滑的管道”。

研究團隊已經用這種電晶體建構了基本的邏輯單元，如非閘、與非閘和或非閘，證明了它在實際計算中的應用潛力。

突破重圍的”換道超車”戰略

值得注意的是，這項研究不僅是技術的進步，更是一種策略突圍。

眾所周知，先進晶片製造受到嚴格的出口管制。彭教​​授坦言：”雖然這條路是出於當前製裁的必要性，但它也迫使研究人員從全新的角度尋找解決方案。”

這種方法不是在現有技術道路上追趕，而是開闢全新賽道，實現”換道超車”。當你被堵在高速公路上時，有時下高速走小路反而更快到達目的地。

現實挑戰與未來展望

當然，從實驗室突破到大規模生產還有很長的路要走。

目前的挑戰包括，如何實現晶圓級大規模製造，如如何與現有矽基製程相容，如何控制生產成本和良品率。

不過，北京大學團隊已經展示了晶圓級單片三維整合（M3D）的可能性，這為未來大規模生產提供了希望。

而且彭海琳教授團隊並非初出茅廬。近年來，他們已在《自然》系列期刊上發表了多篇重要論文，包括2023年報導的世界首例外延高κ柵介質整合型二維鰭式電晶體。這次的二維環柵電晶體是他們研究的進一步突破。

一場即將到來的革命？

如果說20世紀是矽的時代，那麼21世紀會是二維材料的時代嗎？

這項研究可能預示著晶片技術的一場根本性變革。全球半導體巨頭如英特爾、台積電和歐洲微電子中心（IMEC）都在爭相研發二維環柵晶體管，但北京大學團隊卻率先取得了突破性進展。

“這顯示二維環柵元件的性能和能耗上優於先進矽基技術，”彭教授表示，”它滿足國際裝置和系統路線圖（IRDS）對埃米節點的算力與功耗要求。”

簡而言之，這不只是一個中國團隊的成功，而是可能改變整個產業未來的技術飛躍。

就像蒸汽機引領了第一次工業革命，內燃機引領了第二次工業革命，矽基晶片引領了資訊革命一樣，這種新型鉍基二維晶片會引領下一輪科技變革，推動人工智慧、量子運算等前沿領域快速發展嗎？

科技的道路總是充滿不確定性，但有一點是確定的：晶片的未來不再只有一條路，讓我們拭目以待。

參考文獻：

唐建軍，姜建軍，高曉燕，張晨，王梅，薛晨，李哲，尹燕，譚晨，丁鋒，邱晨，彭麗曼，彭華 (2025)。透過外延單晶片 3D 整合實現低功耗 2D 閘極環繞邏輯。 *自然材料*。 DOI: 10.1038/s41563-025-xxxxx-x