硅晶体管虽然出色，但它们也像物理世界中的其他物体一样，受到一些限制。物理定律限制了它们性能和能效的提升。现在，麻省理工学院的一群工程师可能找到了一种方法，通过一种全新的晶体管设计，以量子的方式突破这些限制。
“玻尔兹曼暴政”是一个物理学术语，它描述了硅晶体管在室温下工作时所需的最小电压限制。简单来说，如果电压太低，晶体管就无法有效地开启或关闭，这限制了电子产品能效的提高。随着人工智能等耗电应用的增加，这个问题变得更加突出。
为了突破这一限制，麻省理工学院的研究团队采用了一种创新的方法。他们没有使用传统的硅材料，而是选择了镓锑化物和铟砷化物等特殊的半导体材料来制造晶体管。这些实验性的晶体管是与英特尔公司合作开发的，并且他们的研究成果最近发表在了《自然电子学》杂志上。
这些晶体管的真正亮点在于它们独特的微小3D结构设计。这些设计是在麻省理工学院的纳米尺度研究设施MIT nano中，使用精密工具精心打造的。晶体管采用了垂直纳米线异质结构，其直径仅有6纳米，这被认为是目前报道的最小的3D晶体管。这种设计可能会为电子产品的能效带来革命性的提升。
在这个尺度上，一些量子效应开始发挥作用，让晶体管绕过硅的物理限制。科学家们设计了晶体管以实现量子隧穿，其中电子可以基本上通过一个绝缘屏障层进行“传送”，而不是越过它，让晶体管在更低的电压下开关。另一个效应是量子限制，其中纳米线的狭窄尺寸调整了材料的属性。
麻省理工学院的研究人员们取得了一项突破，他们开发了一种新型的晶体管，这种晶体管在电压需求极低的情况下，依然能够实现快速的开关操作。这在传统的硅材料中是无法实现的。在测试中，这些新型晶体管的开关速度比硅材料的理论极限还要快，性能上大约是其他实验性隧穿晶体管的20倍。
这项技术的核心在于它使用了特殊的半导体材料和独特的3D结构设计，这使得晶体管在极低电压下也能高效工作。项目的主要研究者表示，这项技术有潜力取代硅，因为它不仅能完成硅目前的所有功能，而且能效更高。
然而，从实验室的成果到实际应用，还有一段路要走。研究团队也认识到了这一点。他们指出，尽管在理论上这是一个重大突破，但要将这种技术商业化，还需要克服许多挑战。这包括改进制造工艺，使得这些纳米级的晶体管能够在芯片上均匀分布。
论文的高级作者，麻省理工学院电气工程和计算机科学系的杰苏斯·德拉·阿玛强调，传统的物理学理论已经达到了它的极限。他们的研究表明，通过采用不同的物理学原理，我们可以做得更好。尽管前方还有许多挑战，但这项技术无疑为未来电子产品的发展开辟了新的可能性。
这不是麻省理工学院第一次努力克服摩尔定律的限制。今年早些时候，麻省理工学院的科学家展示了一种能够在纳秒内切换的晶体管，拥有十亿次循环的耐用性。