言：破解手机卡顿的纳米级难题

当新手机使用两年后出现卡顿、发热，问题可能藏在芯片的金属线之间。随着晶体

管尺寸缩小到3nm（仅头发丝直径的万分之一），传统绝缘材料导致的"信号堵车"

日益严重。工程师们的解决方案出人意料——在芯片中引入空气，这项名为Air-gap

的技术正让摩尔定律在物理极限前焕发新生。

一、Air-gap技术：芯片里的"真空隔音管"

如果把芯片金属互连线比作城市地下的"信息高速公路"，传统绝缘材料（如二氧化硅）

就是厚重的混凝土隔离墙，虽能隔绝信号却导致"交通拥堵"（寄生电容）。Air-gap技

术将隔离墙替换成"真空隔音管"：

原理：利用空气（介电常数k≈1）替代传统材料（SiO₂的k=3.9），减少金属线间电容

耦合，如同用隔音棉降低噪音干扰。

效果：南京大学实验显示，引入Air-gap后寄生电容降低34%，信号传输速度从MHz跃

升至GHz级别。

材料对比表

二、三大技术突破：重新定义半导体性能极限

1. 性能飞跃：从"乡村公路"到"高铁轨道"

台积电N3节点：通过Air-trench-isolation结构，寄生电容降低30%，芯片运行频率

提升1.43倍。

南京大学突破：在二维半导体中实现2.65GHz环形振荡器，为1nm节点铺平道路

（发表于《自然·电子学》）。

2. 功耗革命：续航延长的核心密码

三星3nm工艺：结合Air-gap与GAA技术，Exynos 2500处理器功耗降低50%，性

能提升30%，支持手机连续游戏8小时。

英特尔14nm工艺：数据中心服务器功耗降低17%，大型数据中心年省数百万度电。

3. 突破物理极限：支撑1nm及以下制程

通过减少电容耦合和兼容GAA、CFET等3D结构，Air-gap技术解决了量子隧穿效应

导致的漏电问题，使信号在密集布线中仍能高速传输。

三、中国力量：从实验室到产业的跨越

南京大学：研制的五级环形振荡器阵列，平均工作频率达2.1GHz，单级延迟低至

37ps，为AI芯片提供高速低耗方案。

北京大学：二维环栅晶体管功耗较硅基芯片降低90%，开关速度提升5倍，成果登

上《自然·材料》封面。

中芯国际：在28nm节点引入Air-gap技术，芯片成本降低15%，性能提升20%，为

物联网芯片提供高性价比选择。

四、未来已来：改变生活的"空气魔法"

手机与电脑：3nm工艺芯片使《原神》4K画质满帧运行，功耗降低40%；笔记本续

航从8小时延长至15小时。

可穿戴设备：三星Galaxy Watch 7支持7天连续健康监测，GPS定位精度达1米级，

重量减轻20%。

自动驾驶：环境响应时间从毫秒级降至微秒级，相当于人类反应速度的100倍，大

幅提升行车安全。

用"空"创造"有"的科技哲学

从IBM 2007年提出概念到台积电、三星量产应用，Air-gap技术证明：真正的创新往

往藏在对基础科学的重新审视中。随着1nm节点临近，这项"空无一物"的技术将与新

材料、新结构融合，开启"后摩尔时代"。当你感叹手机续航强劲时，背后正是这些

纳米级"空气魔法"在默默发力。