“我们将铁电晶体管的物理栅长缩减到了1纳米极限。”北京大学电子学院研究员邱晨光团队近期成功制备出迄今尺寸最小、功耗最低的铁电晶体管。

这项成果在线发表于《科学·进展》杂志，引起了半导体行业的广泛关注。

1纳米是什么概念？比DNA分子的2纳米宽度还要小一半。达到这种原子级精度，意味着晶体管尺寸已经逼近物理极限。研究人员巧妙利用纳米栅极结构设计，解决了铁电材料“改变极化状态”需要高电压高能耗的问题。

晶体管是电子设备的基本构建块，对芯片性能有着决定性影响。自1947年第一个晶体管在贝尔实验室诞生以来，科学家们一直在追求更小的尺寸和更低的功耗。

晶体管

北京大学电子学院邱晨光研究员—彭练矛院士团队利用纳米栅极结构设计，成功将铁电晶体管的物理栅长缩减到1纳米。这项突破打破了传统铁电晶体管的物理限制，使得能耗比国际最好水平降低了一个数量级。

“纳米栅的设计就好像是对电场进行了‘杠杆放大’，能够以极低的电压代价，驱动铁电材料发生极化反转。”邱晨光解释道。这种设计让铁电层内部形成高强度电场，仅需0.6V外部电压激发，即可轻松翻转铁电极化。

传统铁电晶体管需要1.5V以上电压实现铁电极化翻转和数据擦写，而现代逻辑电路的工作电压低于0.7V。北大团队将工作电压降至0.6V，远低于国际现有水平。

当前AI算力普遍面临“内存墙”问题。在传统冯·诺依曼架构中，计算和存储是分开的，数据需要在存储器和处理器之间不断移动，消耗大量时间和能量。

“它像人脑的神经元一样，将存储和计算功能合二为一，有望彻底打破传统计算架构中‘存储’与‘计算’分离导致的效率瓶颈。”邱晨光表示。

与传统半导体逻辑晶体管不同，铁电晶体管同时兼具存储和计算能力。这种“存算一体”的特性使其成为神经形态计算方面最具潜力的新型基础器件。

人工大脑芯片需要处理海量数据，传统芯片在AI应用中的低效问题日益凸显。北大团队的铁电晶体管同时兼具存储和计算能力，类似人脑神经元的工作方式。

这种设计特别适合人工智能应用，因为AI处理的大量数据不再需要在不同单元间来回搬运。这就像在一个办公室里解决问题，而不是让员工在两个大楼之间跑来跑去获取文件。

摩尔定律认为芯片上晶体管数量每两年翻一番，但随着半导体工艺逼近物理极限，这一定律正面临挑战。目前最先进的逻辑芯片已实现2纳米量产，但进一步缩小尺寸变得异常困难。

目前台积电掌握全球最先进的半导体制程

北大团队的1纳米铁电晶体管，为后摩尔时代提供了新的选择。这项技术突破验证了铁电器件在亚纳米节点的应用可行性。

“这不仅有助于我们建设节能数据中心和高性能芯片，还将开启建造亚1纳米尺度的节点芯片的可能性。”研究人员表示。

在当前的国际科技竞争环境下，中国半导体产业一直在寻找“弯道超车”的机会。铁电晶体管技术突破让中国在下一代芯片技术领域占据了领先地位。

如果能量产，基于铁电晶体管的芯片将帮助中国半导体行业突破技术限制，实现跨越式发展。

任何技术突破最终都要接受市场的检验。北大团队已为这些芯片的工艺和设计申请了专利，为产业化奠定了基础。

这项技术有望为构建高能效数据中心提供核心器件方案，也为发展下一代高算力人工智能芯片奠定关键技术基础。响应时间低至1.6纳秒，这种晶体管能提供高速运行。

2025年，中国AI芯片市场本土厂商销售额首次超过海外厂商，自给率从两年前的19%飙升至58%。铁电晶体管技术有望进一步推动这一趋势。

但挑战依然存在。总需求高达370亿美元，本土供应仅160亿美元，供需满足率只有40%，算力需求仍远未满足。北大团队的突破为解决这一供需差距提供了新的可能。

半导体产业需要从“单点突破”向“全链条创新”跃升。铁电晶体管技术的出现，展示中国半导体产业正在向产业链上游延伸。

全球半导体产业格局正在重构。在技术限制与供应链调整的双重挑战下，中国半导体产业亟需从“追赶替代”迈向“路径创新”。

北大铁电晶体管的研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委卓越研究群体项目等多种资助，体现了国家层面对半导体基础研究的重视。

2024年，中国芯片日产量约达12.4亿颗，出口金额首次突破1万亿元人民币。2025年，产量达到约4843亿颗，出口数量接近3495亿颗。中国半导体产业已在全球占据一席之地。

第三代半导体技术如碳化硅、氮化镓正加速替代传统硅基器件。人工智能技术的深度融合，推动功率半导体在设计优化、制造升级和系统控制等方面取得突破性进展。

北大团队的成功是中国半导体创新能力的一个缩影。从材料到设计，从制造到应用，中国半导体产业正在形成完整的创新体系。

随着算力需求爆炸式增长，传统芯片架构已难以满足人工智能时代的需求。北大团队的这一突破，为整个行业提供了新的思路。下一步，研究人员将致力于解决量产工艺问题，让这一实验室成果早日走向产业化。

芯片世界的竞争从未停止。下一次技术革命可能就隐藏在这些只有1纳米宽的晶体管中。

参考资料：

北大团队实现芯片领域重要突破

光明网 2026-02-24 14:51 光明网传媒官方账号

仅1纳米、功耗最低！北大团队实现芯片领域重要突破

来源：综合报道 2026-02-25

北大团队实现芯片领域重要突破

人民日报 2026-02-24 18:48 人民日报社