晶體管的第一個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能正常工作的晶體管時,他們未曾想到,晶體管如今會成為電子產品的最重要組成部分。晶體管被譽為20世紀最偉大的發(fā)明之一,它改進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,也為人們帶來了便捷高效的數(shù)字化生活。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202306/447869.htm1947年,當John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley成功制造出了世界上第一個能正常工作的晶體管時,他們未曾想到,晶體管如今會成為電子產品的最重要組成部分。晶體管被譽為20世紀最偉大的發(fā)明之一,它改進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,也為人們帶來了便捷高效的數(shù)字化生活。
晶體管從發(fā)明到現(xiàn)在已經過去了76年。毫無疑問,76年的時間對于普通人而言是一個巨大的跨越,我們可能已經無法想象出沒有晶體管的世界是什么樣子了。76年來,無數(shù)工程師和開發(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100億個晶體管,想必已經遠遠超乎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(tǒng)的應用前景。
1. 晶體管的發(fā)明靈感從何而來?
從第一個點接觸型晶體管(圖1)出現(xiàn)后,晶體管已經取得了長足的進步。但在晶體管誕生之前,電子的發(fā)現(xiàn)和真空管的發(fā)明已經成為了電子技術發(fā)展的里程碑。
圖1:點接觸型晶體管示意圖
電子比真空管的出現(xiàn)早10年,又過了40年晶體管才誕生。真空管可在“開”和“關”狀態(tài)之間切換電信號或電源(類似于繼電器)并放大信號,有效控制電路中電子的流動,為數(shù)字設計和模擬設計奠定了基礎。
真空管有一個玻璃管,里面有一根金屬燈絲,很像電燈泡。它開啟了電子產品的新紀元,推動了臺式收音機和早期計算機的出現(xiàn),但這些設備都存在體積大、功耗高的缺點。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(xiàn)有設計的功耗,并構建更龐大、更復雜的系統(tǒng)。
十年后,可排布多個晶體管和其他電子元件的集成電路(IC)出現(xiàn),成為推動晶體管普及的核心驅動力。1969年人類首次成功登月,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,這是使用真空管無法實現(xiàn)的壯舉。
2. 滿足新興的應用需求
應用在尺寸、性能和功耗方面不斷產生新的需求,推動晶體管不斷發(fā)展。如今,復雜架構系統(tǒng)中集成了數(shù)十億個晶體管,電子設備因此得以實現(xiàn)微型化,開發(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)展經歷了三個階段,這也影響著晶體管過去幾十年的發(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。隨著個人計算機的不斷普及,應用的發(fā)展進入第二階段,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(zhí)行新的功能,例如用計算機寫文檔或玩游戲。這一思路也推動了IC的發(fā)展。
到了第三階段,IC和晶體管開始用于移動電話、數(shù)碼相機、音樂播放器以及集成了所有這些功能的智能手機。這是一個劃時代的突破,堪比2007年的MacWorld Expo,當時史蒂夫·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(tǒng)
1960年代后,IC通常使用傳統(tǒng)的平面結構來設計數(shù)字電路。之后幾十年,IC逐步向更新的結構過渡:2011年,F(xiàn)inFET(鰭式場效)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)晶體管將成為技術推進的主流。它著重于于克服鰭式結構的表面粗糙所帶來的技術限制。
圖3:英特爾從32納米平面晶體管(左)過渡到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,開發(fā)者還致力于開發(fā)新材料、優(yōu)化設備的功耗并提升計算速度。
單個芯片能容納的晶體管數(shù)量是有限的,制造商已經接近這一物理極限,未來的芯片將在單個封裝中集成多個小芯片,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(tǒng)幫助開發(fā)者擴展系統(tǒng)功能,已成為半導體行業(yè)的主流,這讓開發(fā)團隊擁有了更多工具,更有機會實現(xiàn)簡化的3D集成。
未來的晶體管將趨向高度專用化,這也為團隊帶來了機遇和挑戰(zhàn)。不僅需要確保系統(tǒng)能容納不同類型的晶體管,也要確保系統(tǒng)可以高效運行。其關鍵在于采用以系統(tǒng)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:下一波會是什么?
電路開發(fā)者期望盡量少選擇不同特定類型的晶體管。然而,無論在芯片級還是系統(tǒng)級的應用中,未來的晶體管的選擇都將由專用領域和特定材料來決定。
在這樣的背景下,摩爾定律如何“續(xù)命”?新思科技認為,摩爾定律仍將延續(xù),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(shù)量?鑒于單位計算方式已經將三維體積和最大橫截面考慮在內,隨著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感知、觀察、理解世界的能力,虛擬現(xiàn)實(VR)和增強現(xiàn)實(AR)的發(fā)展令人興奮。同樣,自動駕駛汽車也在使用各種以集成電路驅動的傳感器、攝像頭以及其他電子系統(tǒng)去提取信息,保證安全行駛。
從最初的單個晶體管到現(xiàn)在龐大的芯片系統(tǒng),晶體管變得更小、更輕,成本也更低。這帶來了新的機遇,例如協(xié)同設計硬件系統(tǒng)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,未來可期。而實現(xiàn)突破的關鍵在于找到一種更好的方法,以系統(tǒng)為中心設計小芯粒,通過更優(yōu)化的晶體管,從而助力創(chuàng)造更美好的數(shù)智未來。
(文章來源: 新思科技)
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