晶體管的第一個(gè)76年：變小了，卻變大了？

1947年，當John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley成功制造出了世界上第一個(gè)能正常工作的晶體管時(shí)，他們未曾想到，晶體管如今會(huì )成為電子產(chǎn)品的最重要組成部分。晶體管被譽(yù)為20世紀最偉大的發(fā)明之一，它改進(jìn)了真空管在功耗和尺寸方面的缺陷，為電子設備的發(fā)展奠定了基礎，也為人們帶來(lái)了便捷高效的數字化生活。

1947年，當John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley成功制造出了世界上第一個(gè)能正常工作的晶體管時(shí)，他們未曾想到，晶體管如今會(huì )成為電子產(chǎn)品的最重要組成部分。晶體管被譽(yù)為20世紀最偉大的發(fā)明之一，它改進(jìn)了真空管在功耗和尺寸方面的缺陷，為電子設備的發(fā)展奠定了基礎，也為人們帶來(lái)了便捷高效的數字化生活。

晶體管從發(fā)明到現在已經(jīng)過(guò)去了76年。毫無(wú)疑問(wèn)，76年的時(shí)間對于普通人而言是一個(gè)巨大的跨越，我們可能已經(jīng)無(wú)法想象出沒(méi)有晶體管的世界是什么樣子了。76年來(lái)，無(wú)數工程師和開(kāi)發(fā)者們前赴后繼，在一次又一次的顛覆式創(chuàng )新中重塑晶體管的結構和應用。如今，智能手機的處理器集成平均100億個(gè)晶體管，想必已經(jīng)遠遠超乎Bardeen、Brattain和Shockley的想象。

本文將回顧晶體管的歷史，探討其未來(lái)的發(fā)展方向，并分析晶體管基本結構的更新?lián)Q代，以及最新的Multi-Die系統的應用前景。

1. 晶體管的發(fā)明靈感從何而來(lái)？

從第一個(gè)點(diǎn)接觸型晶體管（圖1）出現后，晶體管已經(jīng)取得了長(cháng)足的進(jìn)步。但在晶體管誕生之前，電子的發(fā)現和真空管的發(fā)明已經(jīng)成為了電子技術(shù)發(fā)展的里程碑。

圖1：點(diǎn)接觸型晶體管示意圖

電子比真空管的出現早10年，又過(guò)了40年晶體管才誕生。真空管可在“開(kāi)”和“關(guān)”狀態(tài)之間切換電信號或電源（類(lèi)似于繼電器）并放大信號，有效控制電路中電子的流動(dòng)，為數字設計和模擬設計奠定了基礎。

真空管有一個(gè)玻璃管，里面有一根金屬燈絲，很像電燈泡。它開(kāi)啟了電子產(chǎn)品的新紀元，推動(dòng)了臺式收音機和早期計算機的出現，但這些設備都存在體積大、功耗高的缺點(diǎn)。晶體管由一小塊矩形半導體材料（硅或鍺）制成，有助于大幅降低現有設計的功耗，并構建更龐大、更復雜的系統。

十年后，可排布多個(gè)晶體管和其他電子元件的集成電路（IC）出現，成為推動(dòng)晶體管普及的核心驅動(dòng)力。1969年人類(lèi)首次成功登月，阿波羅11號航天器登月艙和兩臺指揮計算機中嵌入的IC功不可沒(méi)，這是使用真空管無(wú)法實(shí)現的壯舉。

2. 滿(mǎn)足新興的應用需求

應用在尺寸、性能和功耗方面不斷產(chǎn)生新的需求，推動(dòng)晶體管不斷發(fā)展。如今，復雜架構系統中集成了數十億個(gè)晶體管，電子設備因此得以實(shí)現微型化，開(kāi)發(fā)者可以打造更高效可靠的設備。

圖2：CMOS晶體管示意圖

應用的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，這也影響著(zhù)晶體管過(guò)去幾十年的發(fā)展歷程。

第一階段是縮小通信和計算設備的尺寸，例如小型收音機或計算機，就像阿波羅11號所用的計算機。隨著(zhù)個(gè)人計算機的不斷普及，應用的發(fā)展進(jìn)入第二階段，即提升應用本身的能力：利用計算機等功能強大的創(chuàng )新設備執行新的功能，例如用計算機寫(xiě)文檔或玩游戲。這一思路也推動(dòng)了IC的發(fā)展。

到了第三階段，IC和晶體管開(kāi)始用于移動(dòng)電話(huà)、數碼相機、音樂(lè )播放器以及集成了所有這些功能的智能手機。這是一個(gè)劃時(shí)代的突破，堪比2007年的MacWorld Expo，當時(shí)史蒂夫·喬布斯發(fā)布了史上第一款iPhone，將手機、PC和iPod的功能融為一體。

3. 轉向Multi-Die系統

1960年代后，IC通常使用傳統的平面結構來(lái)設計數字電路。之后幾十年，IC逐步向更新的結構過(guò)渡：2011年，FinFET（鰭式場(chǎng)效）晶體管（圖3）面世了；預計到2024年，更加優(yōu)化的GAA（全環(huán)繞柵極）晶體管將成為技術(shù)推進(jìn)的主流。它著(zhù)重于于克服鰭式結構的表面粗糙所帶來(lái)的技術(shù)限制。

圖3：英特爾從32納米平面晶體管（左）過(guò)渡到22納米的三柵極FinFET晶體管（右）

除了縮小晶體管尺寸、提高晶體管密度外，開(kāi)發(fā)者還致力于開(kāi)發(fā)新材料、優(yōu)化設備的功耗并提升計算速度。

單個(gè)芯片能容納的晶體管數量是有限的，制造商已經(jīng)接近這一物理極限，未來(lái)的芯片將在單個(gè)封裝中集成多個(gè)小芯片，在某些情況下將采用垂直堆疊。雖然部分晶體管可以使用GAA技術(shù)設計，但有些晶體管仍需采用平面架構，以便嵌入1D或2D設備。

Multi-Die系統幫助開(kāi)發(fā)者擴展系統功能，已成為半導體行業(yè)的主流，這讓開(kāi)發(fā)團隊擁有了更多工具，更有機會(huì )實(shí)現簡(jiǎn)化的3D集成。

未來(lái)的晶體管將趨向高度專(zhuān)用化，這也為團隊帶來(lái)了機遇和挑戰。不僅需要確保系統能容納不同類(lèi)型的晶體管，也要確保系統可以高效運行。其關(guān)鍵在于采用以系統為中心的設計思維，自下而上地建構式設計晶體管。

4. 從VR頭盔到飛行器：下一波會(huì )是什么？

電路開(kāi)發(fā)者期望盡量少選擇不同特定類(lèi)型的晶體管。然而，無(wú)論在芯片級還是系統級的應用中，未來(lái)的晶體管的選擇都將由專(zhuān)用領(lǐng)域和特定材料來(lái)決定。

在這樣的背景下，摩爾定律如何“續命”？新思科技認為，摩爾定律仍將延續，但我們需要重新定義“晶體管密度”。

例如，我們是否還需要考慮單位面積或單位計算方式的晶體管數量？鑒于單位計算方式已經(jīng)將三維體積和最大橫截面考慮在內，隨著(zhù)晶體管的尺寸不斷縮小，這或將成為衡量晶體管性能和速度的更好指標。

如今的應用致力于擴展人類(lèi)感知、觀(guān)察、理解世界的能力，虛擬現實(shí)（VR）和增強現實(shí)（AR）的發(fā)展令人興奮。同樣，自動(dòng)駕駛汽車(chē)也在使用各種以集成電路驅動(dòng)的傳感器、攝像頭以及其他電子系統去提取信息，保證安全行駛。

從最初的單個(gè)晶體管到現在龐大的芯片系統，晶體管變得更小、更輕，成本也更低。這帶來(lái)了新的機遇，例如協(xié)同設計硬件系統及其運行的軟件。

當下再一次掀起的晶體管發(fā)明的熱潮，潛力巨大，未來(lái)可期。而實(shí)現突破的關(guān)鍵在于找到一種更好的方法，以系統為中心設計小芯粒，通過(guò)更優(yōu)化的晶體管，從而助力創(chuàng )造更美好的數智未來(lái)。

(文章來(lái)源： 新思科技)