晶体管的第一个76年：变小了，却变大了？

   

1947年，当John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley成功制造出了世界上第一个能正常工作的晶体管时，他们未曾想到，晶体管如今会成为电子产品的最重要组成部分。晶体管被誉为20世纪最伟大的发明之一，它改进了真空管在功耗和尺寸方面的缺陷，为电子设备的发展奠定了基础，也为人们带来了便捷高效的数字化生活。

 

晶体管从发明到现在已经过去了76年。毫无疑问，76年的时间对于普通人而言是一个巨大的跨越，我们可能已经无法想象出没有晶体管的世界是什么样子了。76年来，无数工程师和开发者们前赴后继，在一次又一次的颠覆式创新中重塑晶体管的结构和应用。如今，智能手机的处理器集成平均100亿个晶体管，想必已经远远超乎Bardeen、Brattain和Shockley的想象。

 

本文将回顾晶体管的历史，探讨其未来的发展方向，并分析晶体管基本结构的更新换代，以及最新的Multi-Die系统的应用前景。

 

晶体管的发明灵感从何而来？

 

从第一个点接触型晶体管（图1）出现后，晶体管已经取得了长足的进步。但在晶体管诞生之前，电子的发现和真空管的发明已经成为了电子技术发展的里程碑。

 

图1：点接触型晶体管示意图

 

电子比真空管的出现早10年，又过了40年晶体管才诞生。真空管可在“开”和“关”状态之间切换电信号或电源（类似于继电器）并放大信号，有效控制电路中电子的流动，为数字设计和模拟设计奠定了基础。

 

真空管有一个玻璃管，里面有一根金属灯丝，很像电灯泡。它开启了电子产品的新纪元，推动了台式收音机和早期计算机的出现，但这些设备都存在体积大、功耗高的缺点。晶体管由一小块矩形半导体材料（硅或锗）制成，有助于大幅降低现有设计的功耗，并构建更庞大、更复杂的系统。

 

十年后，可排布多个晶体管和其他电子元件的集成电路（IC）出现，成为推动晶体管普及的核心驱动力。1969年人类首次成功登月，阿波罗11号航天器登月舱和两台指挥计算机中嵌入的IC功不可没，这是使用真空管无法实现的壮举。

 

满足新兴的应用需求

 

应用在尺寸、性能和功耗方面不断产生新的需求，推动晶体管不断发展。如今，复杂架构系统中集成了数十亿个晶体管，电子设备因此得以实现微型化，开发者可以打造更高效可靠的设备。

 

图2：CMOS晶体管示意图

 

应用的发展经历了三个阶段，这也影响着晶体管过去几十年的发展历程。

 

第一阶段是缩小通信和计算设备的尺寸，例如小型收音机或计算机，就像阿波罗11号所用的计算机。随着个人计算机的不断普及，应用的发展进入第二阶段，即提升应用本身的能力：利用计算机等功能强大的创新设备执行新的功能，例如用计算机写文档或玩游戏。这一思路也推动了IC的发展。

 

到了第三阶段，IC和晶体管开始用于移动电话、数码相机、音乐播放器以及集成了所有这些功能的智能手机。这是一个划时代的突破，堪比2007年的MacWorld Expo，当时史蒂夫·乔布斯发布了史上第一款iPhone，将手机、PC和iPod的功能融为一体。

 

转向Multi-Die系统

 

1960年代后，IC通常使用传统的平面结构来设计数字电路。之后几十年，IC逐步向更新的结构过渡：2011年，FinFET（鳍式场效）晶体管（图3）面世了；预计到2024年，更加优化的GAA（全环绕栅极）晶体管将成为技术推进的主流。它着重于于克服鳍式结构的表面粗糙所带来的技术限制。

 

图3：英特尔从32纳米平面晶体管（左）过渡到22纳米的三栅极FinFET晶体管（右）

 

除了缩小晶体管尺寸、提高晶体管密度外，开发者还致力于开发新材料、优化设备的功耗并提升计算速度。

 

单个芯片能容纳的晶体管数量是有限的，制造商已经接近这一物理极限，未来的芯片将在单个封装中集成多个小芯片，在某些情况下将采用垂直堆叠。虽然部分晶体管可以使用GAA技术设计，但有些晶体管仍需采用平面架构，以便嵌入1D或2D设备。

 

Multi-Die系统帮助开发者扩展系统功能，已成为半导体行业的主流，这让开发团队拥有了更多工具，更有机会实现简化的3D集成。

 

未来的晶体管将趋向高度专用化，这也为团队带来了机遇和挑战。不仅需要确保系统能容纳不同类型的晶体管，也要确保系统可以高效运行。其关键在于采用以系统为中心的设计思维，自下而上地建构式设计晶体管。

 

从VR头盔到飞行器：下一波会是什么？

 

电路开发者期望尽量少选择不同特定类型的晶体管。然而，无论在芯片级还是系统级的应用中，未来的晶体管的选择都将由专用领域和特定材料来决定。

 

在这样的背景下，摩尔定律如何“续命”？新思科技认为，摩尔定律仍将延续，但我们需要重新定义“晶体管密度”。

 

例如，我们是否还需要考虑单位面积或单位计算方式的晶体管数量？鉴于单位计算方式已经将三维体积和最大横截面考虑在内，随着晶体管的尺寸不断缩小，这或将成为衡量晶体管性能和速度的更好指标。

 

如今的应用致力于扩展人类感知、观察、理解世界的能力，虚拟现实（VR）和增强现实（AR）的发展令人兴奋。同样，自动驾驶汽车也在使用各种以集成电路驱动的传感器、摄像头以及其他电子系统去提取信息，保证安全行驶。

 

从最初的单个晶体管到现在庞大的芯片系统，晶体管变得更小、更轻，成本也更低。这带来了新的机遇，例如协同设计硬件系统及其运行的软件。

 

当下再一次掀起的晶体管发明的热潮，潜力巨大，未来可期。而实现突破的关键在于找到一种更好的方法，以系统为中心设计小芯粒，通过更优化的晶体管，从而助力创造更美好的数智未来。