## 195｜科技前沿：怎样造出1nm以下晶体管？

这里是《得到头条》，我是徐玲。

今天我们从两个话题出发，为你提供知识服务。一是苹果推出史上最强大个人计算芯片，二是科学家争论猫咪的“驯化之谜”。

来看今天的第一条，这是彭天放老师带来的硬科技报告。

3月9号，苹果公司在它的春季发布会上推出了新款个人计算芯片M1 Ultra。按照发布会的说法，这款芯片的性能比当前最强大的桌面计算芯片还要高出90%。怎么做到的呢？主要归功于这款芯片上创纪录的晶体管数量，达到了惊人的1140亿个，是上一代的7倍之多。这也让它成为迄今为止，全世界晶体管数量最多的个人计算芯片，被果粉们称为“性能怪兽”。

消息就是这样，来看看能学到什么知识。

我们知道，芯片领域最重要的发展趋势，就是在单位面积的硅片上加工出越来越多的晶体管开关——换句话说，就是需要晶体管变得越来越小。苹果这次发布的新款M1芯片，预计会使用台积电的5nm工艺。而放眼全世界的半导体大厂，这几年各种号称3nm、2nm的工艺也都被紧锣密鼓地提上了生产日程。但是，如果我们继续追问，1nm以下的晶体管要怎么加工呢？——这就属于学术界正在探索的领域了。

关于这个问题，清华大学在3月10号的《自然》杂志上发表了最新的成果。研究人员使用二维材料，在硅片上加工出了迄今为止栅极长度最小的晶体管——只有0.34纳米。

听到这里，有两个词你可能比较陌生，一个是“栅极”，一个是“二维材料”。

首先来解释一下“栅极”。它的英文是Gate，也就是门的意思。在晶体管里，栅极是负责控制整个结构开关的最关键部位。栅极长度越小，晶体管就能变得越小，所以栅极长度成为衡量晶体管大小最重要的指标。业界说的5nm、3nm工艺，就是指栅极长度。

不过，还需要补充说明一点，在2010年以后，大部分半导体代工厂号称的多少纳米的工艺，已经不严格对应实际的栅极长度了，而只是工业上一个习惯说法。比如IBM在2021年发布的2nm工艺，实际的栅极长度差不多是12nm。目前市面上比较常见的7nm、5nm工艺，栅极长度差不多也都在10nm这个量级。这倒也不能怪代工厂虚标，而是真要加工几个纳米长度的栅极结构，确实太难做到了。

那么，在清华大学发布的这篇论文里，栅极长度只有难以置信的0.34纳米。它是怎么实现的呢？这就要说到第二个词：“二维材料”。

“二维材料”的概念，是跟传统的“三维材料”相对应的。我们今天使用的大部分东西都是由三维材料组成的，也就是由一大堆原子堆砌成的立体结构。比如5nm晶体管，虽然很小，但仍然属于三维材料，它的栅极的长宽高，有几十到几百个硅原子。

如果想进一步缩小栅极的尺寸，该怎么办呢？最极限的思路就是“降维打击”。把栅极的三维结构拍扁成二维，让它变成一个平面网格，只有一层原子的厚度，也就是零点几个纳米的样子。如果把这一层原子当作晶体管的栅极，那这零点几个纳米，差不多也就是栅极长度的物理界限。这也就是清华大学这篇论文的思路。

这项研究具体是怎么做的呢？研究人员在硅片上使用了两种二维材料，分别是石墨烯和二硫化钼。这两种材料的具体特性我这里就不展开讲了，在孙亚飞老师的材料科学年度报告里，有比较详细的介绍。这里你只需要知道，这两种材料的电学特性，和现在硅基芯片的兼容性非常好，是半导体领域的热门材料。

在这篇论文里，研究人员把晶体管设计成了一种台阶结构。我在文稿区放了一张论文里晶体管的示意图，你可以看一下。简单来说，就是由硅基组成一个台阶，把二硫化钼薄膜像地毯一样，铺到台阶的上下层，地毯的上层和下层分别对应着晶体管开关的两端。而单层石墨烯，则是插在了台阶结构的中间，充当晶体管的栅极。给这层石墨烯施加电压，就可以控制台阶上层和下层之间的导通和关闭。

由于这个控制电压是从石墨烯的边缘释放的，在这个位置上只有一层碳原子，厚度大概是0.34纳米——于是，这篇论文就实现了目前世界上栅极长度最小的晶体管结构。这也达到了栅极长度的物理极限，因为栅极最少也得包含一层原子嘛。

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2022031420/1768731575823893356)

不过，这里得补充一句，这个0.34nm虽然很厉害，达到了物理极限，但是它并不能直接跟现在的5nm、3nm工艺去做对比。因为，从这篇论文来看，这种台阶状的晶体管，它的栅极长度，并不反映晶体管整体的实际大小。打个不太恰当的比喻，这就好像，整个印刷行业都用16开、32开来衡量书的大小，结果我开了一个印刷厂，对外披露的数据是纸的厚度。那这两个数显然是不能直接对比的。

这项研究的最大意义，其实是打开了制造电子器件的一个新思路——从三维材料到二维材料。在这个全新的芯片研发领域中，中国的研究团队冲在世界最前列。从这个思路出发，中国科学家也许能够在1nm以下的下一代半导体芯片中，实现弯道超车。

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来看今天的第二条。

最近，“英国皇家学会开源期刊”（Royal Society Open Science）上发表了一项研究。研究人员对比了三个类型的猫颅骨和脑尺寸，分别是现代家猫、原始非洲野猫和欧洲野猫，结果发现，和一万年前相比，现代家猫的脑容量大约缩小了25%。

研究人员还进一步发现，脑容量缩小，在被驯化的动物身上是个普遍现象。比如，狗被驯化之后，脑容量缩小了29%；羊缩小了24%，猪缩小了34%，牛缩小了26%。为啥被驯化会让动物的脑容量缩小呢？

研究者推测，被驯养之后，动物不再像待在野生环境里一样担惊受怕，所以大脑的“边缘系统”，也就是负责恐惧感、注意力和攻击性的区域，没有太大的用武之地，久而久之就“缩水”了。比如，奶牛被人类精心圈养，食物和安全都有很好的保障，脑子就比较小；而斗牛场的黑牛，需要保持敌对情绪和攻击性，脑子也比较大。所以，现代家猫的脑容量缩小，和这个驯化理论是吻合的。

不过接下来，有意思的地方来了，科学家之间开始杠起来了。如果说，被驯化的一方脑容量会变小，那么，到底是人类驯化了猫，还是猫驯化了人，还真不好说。抬杠一方的研究人员给出了自己的理由。

有考古证据发现，猫是在4000年前开始成人类的宠物，并且在3600年前逐渐普及的。这主要归功于埃及人对猫的喜爱和推广。而根据最新的研究结果，人类大脑的体积恰恰是从3000年前开始缩小的。你看，从时间线上来说，人类把猫领进门没多久，人的大脑就变小了。根据上面的驯化理论，是不是可以证明猫“驯化”了人呢？

咱们先别急着反对，抬杠的一方还给出了别的证据。

第一，有研究发现，野猫不喜欢、也根本不擅长抓老鼠，它们最喜欢的猎物其实是鸟类。而猫把自己伪装成“捕鼠高手”的形象，很有可能是为了接近人类，可以名正言顺地长期住在人类的居所。

第二，野猫几乎不怎么叫，相互之间也不会用“喵喵喵”来交流，一群野猫在一起几乎是没声音的。很有可能，“喵喵喵”的声音是猫针对人类专门开发的语言，为了吸引人类的注意力和卖萌。

第三，除了伪装“捕鼠高手”和喵喵卖萌，猫还能用体内寄生的弓形虫来影响人类。弓形虫能改变人体内的多巴胺水平，让人更喜欢猫咪，甚至还会影响人的性格。

比如，科学家发现了一个很奇怪的巧合：一个国家的弓形虫感染率越高，这个国家的足球队在世界杯上的表现越好。比如，科学家用弓形虫感染率来预测2006年世界杯八强，结果押中了七支球队。而2010年世界杯八强，全部都来自弓形虫感染率很高的国家。

再来看，国际足联中排名靠前的几支队伍的弓形虫感染率：巴西67%、阿根廷52%、法国45%、西班牙44%、德国43%。相比来说，亚洲国家的弓形虫感染率普遍偏低，日本、韩国是6%，中国是8%。

为啥弓形虫感染率还和球队强弱有关了，是纯属巧合吗？研究表明，弓形虫可以刺激男性睾丸素的分泌，让运动员变得很有爆发力和攻击性，和用了兴奋剂的效果有点像。当然，并不是说感染弓形虫是好事。科学家同时发现，感染弓形虫会提高患精神分裂症和抑郁症的风险。

你看，不知道你是否被说服了啊，听下来，还真有可能不是人驯化了猫，而是猫驯化了人，或者至少说，是猫为了逃避大自然的恶劣生存环境，主动选择被人驯化。其实，猫是这样，狗又何尝不是？有大量的证据证明，三万年前，有一些狼为了获得更好的生存条件，主动选择被人驯化，变成了狗。也许，所有的驯化都不是单向改造，而是相互驯化、相互适应的过程。

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来说说咱们得到的事儿。

最近，李南南老师跟我感慨说，这么多年，看了这么多思考工具类的书，让他印象最深，并且可以常常在生活中用起来的工具，就是奥卡姆剃刀定律。这个定律我们得到用户都很熟悉了，说的是，当一个事实同时存在很多种解释的时候，我们要相信动用前提假设最少的那一个。李南南老师说，奥卡姆剃刀定律是现代职场人最需要的思考工具之一。

比如，他有位朋友前段时间在拼命准备申请英国的学校。她第一志愿报的学校很抢手，心里没底，于是，就找了一个塔罗牌占卜大师算卦。大师跟她说，根据占卜显示，第一志愿没戏了，第二志愿没问题。结果，她还真被第二志愿录取了。于是，这个朋友彻底被大师折服，立志要拜师学艺，把塔罗牌发扬光大。

但其实，这件事还有另外一种解释。你看，这位朋友很重视这次留学申请，为此做了大量准备，甚至重视到要去占卜的程度。这意味着，她大概率不会申请到太差的学校。同时，她报的第一志愿是名校，本来竞争就很激烈，申请成功的概率很低。基于这两条，她申请上第二志愿的概率，客观上就是最大的。

你看，这两种解释，该相信哪一个呢？第一种解释，也就是占卜大师能通灵，要动用的前提假设太多了。你得假设世界上真的有神仙，这个神仙得特别关心你的考试。地球上又恰好有个人，能跟神仙沟通。你想想，这些假设同时成立的概率有多高？但是，第二种解释，仅凭客观事实就能推断出来，几乎不需要任何前提假设。

这就是奥卡姆剃刀定律的作用。下回，你遇到剪不断理还乱的事情，不妨拿起奥卡姆剃刀剃一剃，说不定会豁然开朗。

今天就聊到这儿，《得到头条》，明天见。

### 💡 精华要点
- 1.晶体管
- 0.34nm晶体管研究的最大意义，是打开了制造电子器件的新思路——从三维材料到二维材料。在这个全新的芯片研发领域中，中国的研究团队冲在世界最前列。
- 2.驯化
- 所有的驯化都不是单向改造，而是相互驯化、相互适应的过程。
