The 2D transistor’s design looks like a series of interwoven bridges. Photo: Peking University/modified by ZME Science.
在北京大学，一组中国科学家可能刚刚颠覆了整个计算产业。
他们采用实验室培育的超薄铋材料，并结合一种迥异于当今硅芯片的结构，构建出目前世界上最快、最节能的晶体管。据研究团队称，这款新型晶体管的性能不仅超越了英特尔和台积电所生产的最先进芯片，同时还降低了能耗。更为关键的是，它完全不含硅。
这款二维、非硅基晶体管体现了芯片制造理念的根本性重塑。
“如果说基于现有材料的芯片创新是一种‘捷径’，那么我们基于二维材料的晶体管就是‘换道超车’。”北京大学化学教授、该研究的负责人彭海林在接受《南华早报》采访时表示。
从“鳍片”到“桥梁”的转变
要理解这款晶体管的突破之处，首先需回顾它所替代的传统设计。
自上世纪90年代以来，晶体管——这些驱动从智能手机到超级计算机一切设备的微型开关——主要依赖硅材料和“鳍式场效应晶体管”（FinFET）结构。这种结构类似微型摩天大楼，以垂直方式构建在芯片上，能够在纳米尺度更好地控制电流。
但FinFET 正面临空间瓶颈。随着芯片尺寸缩小至数纳米，工程师们正触及物理极限。当晶体管尺寸降至3纳米以下时，性能提升变得极为困难，功耗却开始上升。传统路径已经难以为继。
因此，彭海林团队选择彻底放弃旧架构，转而开发全新结构。
采用环栅结构的二维晶体管
他们的新型晶体管基于“全环栅场效应晶体管”（GAAFET）架构。与FinFET 仅在晶体管通道三面包裹栅极不同，GAAFET 在四周完全包覆通道，从而提升对电流的控制能力，并显著减少能量浪费。
不过，这种结构本身并非首次出现。真正的创新在于它所使用的材料。
铋元素带来的优势
该团队使用的是铋氧硒化物（Bi₂O₂Se）作为晶体管通道材料，以及铋硒氧化物（Bi₂SeO₅）作为栅材料。
这些材料属于“二维半导体”范畴，具有原子级厚度和卓越的电学性能。尤其是铋氧硒化物，在极小尺度下仍能实现高速电子传输，这是传统硅材料难以企及的。
电子在该材料中的迁移速度更快，即使在高度压缩的空间内也不例外。其高介电常数意味着能更高效地储存和调控电荷。这带来了更快的开关速度、更少的能量损耗，以及更低的过热风险。
彭海林指出：“这能显著减少电子散射和电流损耗，让电子几乎无阻地流动，就像水在光滑水管中穿梭。”
此外，材料间界面的平滑性远胜于目前工业中常用的半导体-氧化物组合，意味着缺陷更少、电气噪声更低。
综合上述因素，该晶体管在性能上取得了惊人突破。研究团队称，相较目前最先进的3纳米硅芯片，其运行速度提高了 40%，同时能耗降低约 10%。
被迫而来的技术转向
该技术进展的背后，还潜藏着地缘政治因素。
由于美国主导的出口限制，中国企业被禁止采购最先进的硅芯片制造设备。比如能够生产 3 纳米芯片的极紫外光刻机，仅由西方少数几家公司掌握。
通过开发一款不依赖硅、且可用中国现有工具制造的晶体管，彭海林团队或许找到了绕开制裁的新路径。
“虽然这条路线是因当前制裁被迫走出的，但也正因如此，研究者被迫从全新视角寻找解决方案。”彭海林表示。
尽管实验室中成果斐然，量产仍面临诸多挑战。
这类晶体管能否规模化制造？能否在真实运算环境中承受高温与高压？何时才能应用到消费级设备中？这些问题尚未有定论。
但研究团队表示，他们已在推进量产工作。使用该晶体管构建的逻辑单元原型表现出极低工作电压与高电压增益，显示出良好的电路整合前景。此外，他们基于现有制造平台进行设计，也意味着其生产门槛可能低于其他实验性技术。
研究团队在结论中写道：“这项成果证明二维 GAAFET 晶体管在性能与能效方面已可与现有硅基晶体管相媲美，是下一个技术节点的有力候选者。”
当然，从实验室原型走向商用芯片，往往需要多年甚至数十年。设计单个晶体管相对容易，要将数十亿个集成在一块可靠可量产的芯片上，才是真正的考验。
然而，若能成功，这项突破将为中国提供全新的技术基础。更广泛地看，这也预示着未来的半导体竞争不再局限于“谁能制造更小的硅”，而是“谁能突破硅的边界”。
该研究成果已发表在《自然·材料》期刊上。