2026年2月23日，北京大學(xué)電子學(xué)院傳出消息。邱晨光研究員和彭練矛院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在芯片基礎(chǔ)器件上取得進(jìn)展。他們研制出一種新型鐵電晶體管，尺寸達(dá)到當(dāng)前全球最小水平。這種成果直接針對人工智能計(jì)算面臨的能源難題而來。

當(dāng)時數(shù)據(jù)中心和高端設(shè)備對算力的需求越來越大，傳統(tǒng)芯片在處理海量數(shù)據(jù)時能耗問題突出。團(tuán)隊(duì)選擇從器件結(jié)構(gòu)入手，避開了部分外部設(shè)備的限制，專注材料和設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。

芯片行業(yè)這些年一直圍繞材料極限在努力。硅基路線發(fā)展到極小尺度后，電子行為變得難以掌控，漏電和發(fā)熱成為常見現(xiàn)象。計(jì)算和存儲分開設(shè)置，導(dǎo)致數(shù)據(jù)來回搬運(yùn)消耗不少電力。業(yè)內(nèi)把這種瓶頸叫做內(nèi)存墻，它制約了人工智能模型的效率。

北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)注意到這個問題，早幾年就開始探索鐵電材料的應(yīng)用潛力。這種材料本身能實(shí)現(xiàn)存算一體，但過去電壓門檻高，難以和現(xiàn)有電路匹配。團(tuán)隊(duì)這次通過結(jié)構(gòu)調(diào)整，解決了這個老難題。

團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中引入納米柵極設(shè)計(jì)。柵極作為晶體管的關(guān)鍵控制部分，被做得很細(xì)很尖。這種設(shè)計(jì)讓電場在鐵電層內(nèi)部高度集中，像杠桿一樣放大作用力。結(jié)果外部電壓需求大幅下降，和主流邏輯電路的水平接近。器件整體結(jié)構(gòu)采用碳納米管作為柵極材料，結(jié)合二維半導(dǎo)體和鐵電薄膜，形成垂直堆疊的異質(zhì)集成。整個過程依靠實(shí)驗(yàn)室精密工藝完成，界面質(zhì)量控制到位，確保電學(xué)性能穩(wěn)定。

這種晶體管在微觀尺度下展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。柵長縮小到原子級極限時，電場匯聚效應(yīng)反而增強(qiáng)，存儲特性得到改善。這和傳統(tǒng)平板結(jié)構(gòu)的想法不一樣，打破了尺寸越小性能越差的常規(guī)認(rèn)知。測試顯示器件開關(guān)速度快，能耗水平比之前國際報道低不少。電流開關(guān)比高，記憶窗口清晰，適合高密度集成。團(tuán)隊(duì)把這些特性總結(jié)成新物理機(jī)制，為亞1納米節(jié)點(diǎn)芯片提供了一種選擇。

團(tuán)隊(duì)還申請了相關(guān)中國專利，形成自主知識產(chǎn)權(quán)體系。這些專利覆蓋器件結(jié)構(gòu)和工藝兼容方案，能和現(xiàn)有NAND架構(gòu)以及嵌入式系統(tǒng)結(jié)合。彭練矛院士長期研究碳基電子學(xué)，積累了材料制備經(jīng)驗(yàn)。邱晨光研究員專注器件優(yōu)化，兩人在合作中互補(bǔ)，推動實(shí)驗(yàn)從概念到驗(yàn)證。

說到芯片自主發(fā)展，這項(xiàng)進(jìn)展提供了一個新思路。過去行業(yè)依賴特定設(shè)備推進(jìn)制程，現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)展示出材料創(chuàng)新的另一條路。碳納米管和二維材料的組合，在低功耗方向有明顯潛力。未來如果擴(kuò)展到晶圓級制造，就能支持更多人工智能應(yīng)用場景。數(shù)據(jù)中心能耗降低后，整體運(yùn)營成本也會跟著下來，老百姓用到的智能設(shè)備續(xù)航和性能都有改善空間。

當(dāng)然從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)還有距離。碳納米管純度控制、陣列排列均勻性，以及大面積材料貼合，都是工程上需要攻克的點(diǎn)。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈接下來會接手這些任務(wù)，逐步優(yōu)化工藝參數(shù)。團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成原型驗(yàn)證，之后會繼續(xù)深化研究，確保技術(shù)落地更可靠。國內(nèi)企業(yè)也在關(guān)注這項(xiàng)成果，準(zhǔn)備開展合作驗(yàn)證。

這項(xiàng)工作放在全球半導(dǎo)體格局里看，有它的現(xiàn)實(shí)意義。人工智能浪潮下，能效成為核心競爭力。傳統(tǒng)路線遇到物理瓶頸時，新結(jié)構(gòu)和新材料就能發(fā)揮作用。北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)這次在1納米尺度上的突破，證明國內(nèi)科研有能力在關(guān)鍵領(lǐng)域領(lǐng)先一步。整個過程靠的是長期積累和精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，沒有走彎路。