今天可能又有一个震撼性的重磅突破，发布在12月18日顶刊《自然》杂志上。麻省理工发明了一种新的二维到三维的芯片技术，直接无视摩尔定律，可能会彻底改变芯片构建方式，让我们的手机变身超级计算机。
为什么这项技术可能是大突破呢？我们现在的芯片，就像一个超级大城市，里面有无数的小房间，也就是晶体管，用来处理和存储数据。
只是这些房间都是小平房，建造在硅晶圆基板上，换句话说，这是一个二维的巨大城市。我们想让芯片性能增强，一是增加晶体管，也就是小房间的数量，但现在最大的晶圆也就12吋，30厘米，没法再扩大芯片城市的面积了。
二是缩小房间面积，把房间数量增多，但现在每个房间已达极限，只有几个原子大，几纳米，也就是头发丝的10万分之一，很难再缩小了，这就是所谓摩尔定律的极限。
那要怎么办呢？聪明如你肯定想到了，那把平房重叠起来，盖成楼房，变成三维大城市。但这里有个大问题，盖楼房的楼板，也就是硅基板太厚了，大约是在微米级别，也就是1000纳米左右。
你可以想象你住的房子，一间房子只有3米高，但楼板却厚达1公里，这盖8层楼就到珠穆朗玛峰了，这楼房怎么盖啊？
最关键是芯片要运算，晶体管之间就必须通过导线连起来才能实现通信，也就是要在楼板上打无数的洞来安装管线，这叫硅穿孔技术，这些洞必须精确对齐，稍微有点差错，芯片就成废片了。
打孔不仅浪费大量芯片面积，还会影响结构稳定性，最要命的是会严重影响各层"房间"之间的通信效率。在这样的城市里你住2楼，就得坐1公里的电梯才能到达，8层就得攀登珠穆朗玛峰，这交通通信效率，肯定会让城市功能大受影响。
而麻省理工这次的突破，就是把楼板厚度降到了几十米，你说这效率会翻多少倍？
那么他们具体是怎么做的呢？简单来说，他们使用了一种叫过渡金属二硫化物（s）的新型材料，这种材料就像三明治一样，由三层原子构成，一层金属原子夹在两层硫原子之间，厚度约在0.6-0.7纳米之间。
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夹杂金属钼的二硫化物可以制成n型晶体管，夹杂金属钨的二硒化物则用来制成p型晶体管，从而构成逻辑运算的基本单元。
房间（晶体管）有了，楼板科学家们采用了非常薄的二氧化硅掩膜，厚度为15纳米，再加上绝缘层、电极和沟道层，总厚度约为35纳米。
比起1公里厚的楼板，35米是不是上下楼方便快捷多了？最关键的是，在1公里厚的硅基板上打孔，和几十米的硅掩膜上打孔，成本和难度都会大大降低，这为实现更密集的三维集成奠定了基础。
当然，上面说的这些都是比喻，实际构建这种芯片仍然非常复杂，需要通过种子沉积、低温生长、多层堆叠等多项技术，并严格控制温度，才能确保每一层都能以高质量的单晶形式生长。
那么这种芯片的性能呢，你只需想想就知道了，如果按传统芯片8层来算，这座芯片城市的高度将和珠穆朗玛峰一样高，而MIT这项技术构建的芯片城市，高度就只有300米左右了，这意味着交通（通信）速度和芯片处理速度的巨大提升，以及能耗的极大降低。
而根据科学家们的说法，这种技术可以生长出数十到数百个逻辑层和内存层，这意味着可以把芯片城市建成数百层高的高楼大厦群，这不就是新德里和上海的区别吗？
可以想象，麻省理工这项技术的成功，不仅意味着芯片性能的指数级提升，还为人工智能（AI）硬件的发展打开了新的大门。未来的笔记本电脑、智能手机甚至是智能手表，都可能拥有和超级计算机一样强大的处理能力，同时保持轻薄便携。另外这种技术还将大幅提升数据存储能力，让个人设备的存储容量可以与现在的物理数据中心相媲美。
所以这项技术是一个重大突破，将可能彻底改变电子产品的未来，这样说可能一点也不为过。有趣的是，这项研究虽然以麻省理工为主，但从论文署名来看，除了一个可能是中文人名外，其余都是韩国人名，参与机构包括韩国三星及成均馆大学，这意味着这项研究是韩美两国合作的。
最后照例附上论文链接，大家可以去批评指正一下。特别说明，文中数据主要参考同一团队2023年12月发布在预印服务器的前期论文，以及其他科学文献。
参考文献：
Kim, K.S., Seo, S., Kwon, J. et al. Growth-based monolithic 3D integration of single-crystal 2D semiconductors. Nature 636, 615–621 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08236-9
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