北大 1 纳米芯片

蛇王天成

段落 双视频开场白 《北京大学邱晨光－ 彭练矛团队攻坚历程》 一，北大1 纳米概况 二，北大1 纳米的跨时代意义 1. 北大1纳米的真实含义 2. 中美芯片逻辑对抗 3. 能耗与存储，矛盾的统一 4. 北大 1 纳米的三件世界级突破 5. 北大 1 纳米量产之路 三，彭练矛院士简介 四，邱晨光研究员简介 双视频开场白 《北京大学邱晨光－ 彭练矛团队攻坚历程》 . 一，北大1 纳米概况 北京大学电子学院邱晨光研究员－彭练矛院士团队(蒙德欢、马学洲、沈子卓、徐林、彭连茂、邱晨光)成功研制出纳米栅超低功耗铁电晶体管，将铁电晶体管工作电压降低至0.6V，能耗降低至0.45fJ/μm，是目前国际上尺寸最小、功耗最低的铁电晶体管。 当前，人工智能（AI）技术迅猛发展，对芯片提出了“超低功耗、高速存算、高集成度”的严苛需求。但现实中，AI芯片的性能提升始终受限于核心硬件瓶颈，尤其是数据存储与运算之间的协同效率不足，成为制约AI应用向高端化、轻量化发展的关键因素。 面对这一核心技术难题，研究团队在研发过程中实现了三大关键突破。(1) 提出纳米栅极电场增强机理，利用纳米栅的尖端电场汇聚效应，构建了高度局域化的高密度电场汇聚区域，有效放大了铁电层局部电场强度。(2) 将铁电极化翻转电压降低到超越常规平板铁电体的矫顽电压极限，成功将铁电晶体管存储电压降低至0.6V，能耗降低至0.45fJ/μm，领先国际已有报道一个数量级。(3) 探索了铁电晶体管的尺寸微缩极限，栅电极物理尺寸缩减到1纳米。这项工作突破了超低功耗铁电存储器研制的关键科学瓶颈，将存储电压降低到和逻辑电压相当水平，数据可以零障碍、低功耗、超高速双向流动。相关存储器件有望大幅降低AI芯片整体功耗，并提升数据存算效率。2026年2月23日邱晨光表示，这一技术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整整降低了一个数量级。邱晨光解释，有着超低工作电压与极低能耗特性的纳米栅铁电晶体管，不仅能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。 二，北大1 纳米的跨时代意义 传统铁电晶体管存在能耗过高、逻辑电压不匹配等短板限制了其大规模应用。为此，北京大学邱晨光研究员一彭练矛院士团队利用纳米栅极结构设计，巧妙解决了铁电材料改变极化状态需要高电压高能耗的问题。邱晨光表示，这一技术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整整降低了一个数量级。邱晨光解释，有着超低工作电压与极低能耗特性的纳米栅铁电晶体管，不仅能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。 北京大学团队设计的 1 纳米芯片理论发表在美国《Science Advances》期刊上，它突破1纳米铁电晶体管技术，直接挑战芯片物理极限，实现全球最低功耗与存算一体，为中国芯片开辟全新赛道。这不仅是技术飞跃，更是打破美国封锁的关键一步，未来或彻底改变AI、手机、数据中心等领域。中国科技正在逆境中爆发，从跟跑转向领跑。 1. 北大1纳米的真实含义 几纳米芯片是台积电、三星用来宣传的“等效工艺节点”，代表的是性能、功耗的对标水平，不等于晶体管的物理宽度。但是，北大1纳米是真正物理意义上的1纳米栅长，也就是晶体管里控制电流的那道“门”的真实宽度只有1纳米，大约是几个原子、几个电子排在一起的厚度。再小下去，电子就会出现量子隧穿效应，直接“穿墙而过”，开关彻底失控。换句话说，北大1纳米不是在追别人的工艺，而是直接摸到了人类现有电子器件的物理极限天花板。这项成果是基础科学的硬核突破，不是马上量产的手机芯片 2. 中美芯片逻辑对抗美国“卡脖子”的真正逻辑：以为卡死光刻机，就能卡死中国。核心抓手只有一个：高端EUV光刻机。没有它就造不出来极小尺寸的开关，高端CPU、GPU、AI芯片、超算就全落后，人工智能不行、算力不行、国防装备不行、数据中心不行。最后，永远被踩在脚下。这就是美国一整套科技封锁闭环。从设备、材料、软件、专利、产业链，全方位围堵。美国是靠光刻机把开关越做越小，而北大1 纳米是直接换一套物理原理，重新做一个开关，建立新的底层、新的体系。这才是真正意义上的换道超车。 3. 能耗与存储，矛盾的统一 我们现在进入了一个时代： AI时代 = 算力时代 = 数据时代。全球芯片行业，现在都遇到了同一个功耗与存储的矛盾。不管是聊天机器人、AI视频、自动驾驶、大数据分析、大模型训练，这一切的背后，都是两个字：算力。 现在的芯片结构有一个先天的弊病：逻辑芯片（CPU/GPU），像是一个超级聪明、反应极快的大脑，2纳米芯片工艺，工作电压只要0.7伏，用很少的电力；存储芯片（内存/闪存），像是记性很好，但动作很慢的仓库，架构几十年没变过，读写数据需要5伏以上高压，用大量的电力。于是，芯片内部必须不停地执行0.7V 升压 5V 存储数据，再降压 0.7V 计算数据。浪费了大量时间和电能，且产生大量热量。现在AI 芯片超过70%的能耗和时间，不是用在计算上，而是用在数据传输和电压转换上。谁能推倒它，谁就能主导下一个时代。而这次北大 1 纳米铁电晶体管就是从根基上解决这个弊病，来主导下一个新时代。 4. 北大 1 纳米的三件世界级突破 (1) 北大铁电晶体管做到了物理极限：1纳米，全世界最小、功耗最低。(2) 北大 1 纳米的工作电压做到了全球最低：0.6伏。现在最顶级的2纳米手机芯片，电压也要0.7伏。计算和存储，可以在同一个电压下工作了，达到了矛盾的统一。免去了原来芯片内部那些用来升压、降压的电路、变压器、转换模块。(3) 北大 1 纳米的能耗低至0.45飞焦/微秒。比目前国际上最好的水平强10倍。北大这个技术，就是降维打击。 5. 北大 1 纳米量产之路 1纳米铁电晶体管的制备工艺可直接对接现有的CMOS半导体产线，无需重建昂贵的全新生产线，这大大降低了从实验室走向市场的门槛‌‌。 多家国内芯片企业已主动与北京大学团队接洽，寻求技术合作与转化‌‌。例如，北京大学深圳研究生院信息工程学院已于2025年6月与‌芯邦科技‌联合成立“存算一体联合实验室”，共同推进相关技术的产业化‌‌官网。这表明产业界对这项技术的高度认可和积极布局。 根据团队负责人邱晨光研究员的公开表态，该技术预计在‌3-5年内‌分阶段实现商业化：‌1-2年内‌：率先应用于物联网传感器、可穿戴设备等对功耗要求极高的领域，进行小批量量产验证。‌2-3年内‌：拓展至手机、平板等消费电子产品，有望显著提升设备续航能力。‌3-5年内‌：突破高端集成技术，应用于AI芯片、数据中心服务器、自动驾驶等对算力和能效要求极致的领域，实现大规模商用‌‌。‌该成果获得了国家自然科学基金的重点资助，后续将持续支持其技术转化，确保“中国原创”技术能尽快走向产业一线‌‌。 三，彭练矛院士简介 ⬆ 彭练矛，中国科学院院士，北京大学电子学院院长、教授、博士生导师；北京元芯碳基集成电路研究院院长；湘潭大学湖南先进传感与信息技术创新研究院院长‌‌。长期从事碳基电子学与纳米电子材料研究，是我国碳基芯片领域发展的领军人物。 . 基本信息 ‌1962年9月出生于湖南省平江县；‌1978–1982年‌，就读于北京大学无线电电子学系，获学士学位；‌1983–1988年‌，通过CUSPEA计划赴美，在美国亚利桑那州立大学攻读博士，师从高分辨电子显微学权威J.M. Cowley教授，获博士学位；‌1988–1994年‌，先后在挪威奥斯陆大学、英国牛津大学从事博士后及研究员工作，专注于电子显微学与纳米结构研究‌‌官网‌； 回国与科研历程 ‌1994年底‌，毅然放弃牛津大学优厚待遇，举家回国，投身祖国纳米科技事业；‌1994–1999年‌，任中国科学院物理研究所研究员；1999年至今‌：受聘为北京大学“长江学者”特聘教授，历任电子学系主任、信息科学技术学院教授；随着硅基微电子器件尺寸逐渐进入深亚微米领域，后摩尔时代的非硅电子学发展成为了科研焦点。为了应对这一挑战，北京大学在1999年成立了碳基纳电子材料与器件研究团队，致力于实现中国主导的芯片技术“直道”超车。没有芯片技术，中国的现代化便无从谈起；2021年起，任北京大学电子学院院长‌‌； ‌研究方向‌ 碳基CMOS集成电路与光电器件的无掺杂制备技术；超低功耗狄拉克源晶体管；纳米电子材料与器件的物理基础；弹道二维半导体晶体管（如InSe）‌‌； ‌2017年‌，首次实现‌5纳米栅长碳纳米管晶体管‌，综合性能比当时最先进硅基器件领先约10倍，接近理论极限‌‌官网‌；‌2024年‌：团队研制出‌世界首个基于碳纳米管的张量处理器芯片（TPU）‌‌‌；‌2026年2月‌，与邱晨光团队合作，利用纳米栅极结构解决铁电晶体管高能耗问题，推动其大规模应用‌‌； 荣誉与奖项 2010年度和2016年度国家自然科学二等奖（两项成果均与碳基电子学相关）‌‌；2000年度和2017年度“中国高等学校十大科技进展”等殊荣。‌2017年，获全国创新争先奖‌；‌2018年，获何梁何利基金科学与技术进步奖‌；‌2019年‌，当选为中国科学院‌技术科学部院士‌‌‌；获国家自然科学二等奖‌；‌2000年，成为英国物理学会会士‌； 社会任职与人才培养 担任中国真空学会副理事长、中国电子显微镜学会副理事长、国际晶体学会电子衍射委员会委员等职‌‌；培养博士生、硕士生及博士后多名，学生包括北京大学信息科学技术学院副研究员丁力等‌‌；多次获评“北京大学十佳导师”、“全国优秀博士学位论文指导教师”‌‌。 卓越的学术成就 彭练矛院士作为该团队的领军人物，在纳米结构、物理性质及器件研究方面享有国际声誉。他曾经四次担任国家973计划和重点研发计划项目的首席科学家，并在国际知名期刊上发表论文400余篇，这些论文被引用了21000余次。彭院士的卓越成就不仅赢得了学术界的认可，更荣获了多项大奖。 . 四，邱晨光研究员简介 ⬆ 邱晨光，北京大学电子学院长聘副教授、博士生导师，现任物理电子学研究所/碳基电子学研究中心研究员。 ‌‌ ‌研究领域‌ 主要从事后摩尔芯片技术研究，聚焦高性能低维电子器件与系统，具体方向包括亚纳米节点低维晶体管与集成电路、新机理纳米器件、三维集成等。 ‌‌研制出世界上弹道率最高的二维晶体管（弹道InSe晶体管）、实现5纳米栅长碳纳米管晶体管、提出并实现狄拉克冷源超低功耗新器件机制、发明稀土钇掺杂解决二维半导体接触难题、制备高性能二维环栅晶体管等。 ‌‌邱晨光研究成果被国际半导体技术路线图（IRDS）收录，并被台积电、英特尔、三星等业界巨头引用。 ‌‌ 个人经历(出生年月日和出生地查无信息)2011年，获西安电子科技大学微电子专业学士学位；2016年，获北京大学物理电子学博士学位；2016-2019年，在北京大学从事博士后研究；2019年起，入职北京大学电子学院任研究员，后获聘长聘副教授。 ‌‌北京大学“博雅青年学者”；国家基金委优秀青年科学基金获得者；2021年，国家重点研发计划青年首席科学家，并曾获中国电子学会青年科学家奖、中国十大新锐科技人物等荣誉。2023年，5纳米晶体管研究入选中国高校十大科技进展；弹道InSe晶体管性能超过英特尔硅基器件相关成果入选中国十大科技进展新闻；2023年，获达摩院青橙奖；2024年，获科学探索奖；2024年《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”亚太区入选者。2025年，以第一通讯作者在《科学》发表“先进节点InSe晶体管的晶圆集成”、“5纳米栅长碳纳米管晶体管”、“狄拉克冷源晶体管”论文三篇；以第一通讯作者在在《自然》（Nature）发表论文一篇。 2026年2月27日，其团队在《科学进展》 下图为该期封面 ⬇ 上发表了题为“具备0.6伏超低工作电压的纳米栅极铁电晶体管”的论文 作者：蒙德欢、马学洲、沈子卓、徐林、彭连茂、邱晨光 论文摘要 铁电场效应晶体管（FeFET）作为电场驱动型非易失性存储器，具有极低功耗与高速特性。尽管研究者们付出了诸多努力，FeFET仍未能成功缩小至亚5纳米节点技术，其工作电压超过1.5伏，导致其无法与单片逻辑核心相匹配。本研究采用金属单壁碳纳米管作为栅极电极，将二硫化钼铁电场效应晶体管的栅长缩减至1纳米。这种纳米栅极方案可实现电场聚焦效应，增强铁电体与金属氧化物半导体间的电容耦合，从而将工作电压降至0.6伏，低于传统铁电体的矫顽力电压。纳米栅钼二硫化物铁电场效应晶体管展现出卓越的存储性能：开/关电流比高达2×10⁶，编程速度达1.6纳秒。本研究证实纳米栅铁电场效应晶体管具有抗短沟道效应特性，彰显了铁电电子学在实现亚纳米级芯片卓越缩放性、高性能与高能效方面的巨大潜力。 . . . . .