採‧訪‧線‧上－晶片微縮之路 創新、創新再創新

晶片核心-電晶體，當其縮小到奈米級別時、新的挑戰開始出現。圖／本報資料照片

晶片已成爲現代科技設備核心，然而，隨着製程技術的不斷進步，晶片微縮近乎物理極限。晶體管密度的縮小和量子穿隧效應等構成瓶頸，這些挑戰推動業界尋找新技術，以突破現有的物理極限。

如臺積電、比利時微電子研究中心（imec）等尖端研究團隊正以追求相同晶片面積高頻寬、低功耗之最佳解進行突破；臺積電更首揭CFET後電晶體路徑，嘗試以2D TMD（二硫化鉬MoS2、二硫化鎢WS2）、CNT（奈米碳管）等非矽結構探索次世代可能解方。

晶片核心-電晶體，當其縮小到奈米級別時、新的挑戰開始出現。回顧過往，「短通道效應」是指當汲極與源極之間的距離變短時，閘極對電流的控制能力變弱，導致漏電現象的發生，該現象在35奈米節點時尤爲明顯；彼時人們認爲35奈米已是電晶體技術之極限。不過，隨着胡正明教授提出的FinFET（鰭式場效電晶體）、透過傳統的平面型變爲「立體型」，該困境得以解決、電晶體技術進入新的發展階段。

現階段半導體已逐漸逼近1奈米制程，這意味着傳統矽基電晶體的物理極限正在臨近，尺寸接近矽原子的直徑（約0.22奈米）時，量子穿隧效應將變得無法避免。簡言之，電子在不需要額外能量的情況下，穿透原本不可穿透的屏障，導致電晶體處於連續通電的狀態，無法實現「0」與「1」的切換、影響晶片的穩定性與計算準確性。

即便技術再精進，也無法繼續縮小晶體管的尺寸。目前可實現量產的最先進的製程達到3奈米，如蘋果最新的A17 Pro晶片，便是在103平方毫米的尺寸內塞下超過190億個電晶體。

儘管FinFET之後還有GAAGET（環繞式閘極場效電晶體）、CFET（互補式場效電晶體）等架構續命，然而，臺積電曹敏博士坦言，從場效電晶體（FET）取得PPA（效能、功耗、面積）成長效果遞減，而爲了延續高成長，臺積電不排除新興材料的發展；後CFET藍圖不乏2D TMD、CNT等二維材料。

傳統技術路徑將無法再繼續縮小。然而，晶片技術的未來並不僅僅依賴於電晶體的微縮，新的材料、存算一體技術以及量子運算等同樣提供新的發展方向。AI的發展有望爲未來的科技行業帶來新的突破，正如過去胡正明教授的FinFET技術打破35奈米的瓶頸，新的創新將再次推動晶片技術邁向新高度。