人类在1nm制程面临的核心困境是物理极限、材料瓶颈与光刻技术挑战的综合作用。以下是关键原因及最新进展：
一、物理极限：量子效应失控
1.量子隧穿效应
当晶体管尺寸逼近1nm（约3个硅原子宽度），电子会不受控地穿越绝缘层，导致芯片漏电、功耗飙升。传统硅基材料无法克服此问题，需依赖二硫化钼（MoS₂）等新型二维材料替代。
2.短沟道效应
栅极对电子的控制力在原子尺度急剧下降，需采用全环绕栅极（GAA）或叉片（Forksheet）等三维架构提升控制精度，但工艺复杂度成倍增加。
二、光刻技术：精度与成本的博弈
1.EUV光刻机极限
· 光源功率：现有极紫外光源功率仅600W，而1nm需1000W以上，锡滴激光轰击技术稳定性不足。
· 光学精度：High-NA EUV透镜表面平整度需达原子级（误差<0.02nm），全球仅蔡司能生产，且良率低。
· 成本暴增：High-NA光刻机单价3.5亿欧元，Hyper-NA预计超6亿美元，台积电等厂商因经济性犹豫。
2.替代技术未成熟
纳米压印、电子束直写分辨率可达1nm，但效率低（每小时处理1-2片晶圆），无法满足量产需求。
三、材料与互连革命
1.晶体管材料
· 硅基替代：二硫化钼（MoS₂）厚度仅0.65nm，可抑制量子隧穿；碳纳米管支持电子弹道传输，速度超硅材料百倍。
· 拓扑绝缘体：表面导电、内部绝缘的特性可降低功耗，但晶圆级制备尚未突破。
2.互连技术
· 铜互连在1nm下电阻暴增10倍，需改用钌（Ru）或石墨烯。IBM已实现钌通孔集成，台积电验证石墨烯互连电阻低于铜。
四、产业突破方向
1.计算光刻+AI
台积电利用逆向光刻（ILT）和GPU加速算法，将掩膜图案优化效率提升百倍，使曲线晶体管密度增加3代。
2.中国技术尝试
· 中科院研发固体激光驱动EUV光源，转换效率达3.42%（国际前列）。
· 华为测试LDP光源方案，2025年Q3试产；北大团队探索量子隧穿技术绕开光刻限制，但尚未量产。
3.架构创新
IBM垂直堆叠晶体管（VTFET）将密度提升至2nm芯片的2倍，英特尔推进CFET架构应对1nm挑战。
未来展望
1.短期路径：High-NA EUV光刻机（2025年量产）支撑2nm-1.4nm节点，依赖AI优化计算光刻。
2.长期破局：二硫化钼/碳纳米管芯片预计2030年落地，光子芯片或彻底取代电子晶体管。当前困局本质是技术、成本与时间的三角博弈。虽然物理极限存在，但新材料与AI正开辟新路径，1nm并非终点而是新起点。中国需在基础材料与算法领域加速突破，方能在下一代芯片竞争中占据主动。