2047年是晶體管發(fā)明100周年，屆時晶體管會是什么樣子？它們甚至會成為今天的關(guān)鍵計算元素嗎？IEEE Spectrum向世界各地的專家詢問了他們的預(yù)測。

一位專家表示，預(yù)計晶體管會比現(xiàn)在更加多樣化。正如處理器從 CPU 發(fā)展到包括 GPU、網(wǎng)絡(luò)處理器、AI 加速器和其他專用計算芯片一樣，晶體管也將發(fā)展以適應(yīng)各種用途。“設(shè)備技術(shù)將變得特定于應(yīng)用領(lǐng)域，就像計算架構(gòu)已經(jīng)成為特定于應(yīng)用領(lǐng)域一樣。” IEEE Fellow，前臺積電企業(yè)研究副總裁，斯坦福大學電氣工程教授Philip Wong說。

IEEE 院士、佐治亞理工學院電氣與計算機教授、多所大學納米技術(shù)研究所所長Suman Datta 表示，盡管種類繁多，但基本的工作原理——打開和關(guān)閉晶體管的場效應(yīng)——可能會保持不變研究中心上升。“該設(shè)備的最小臨界尺寸可能為 1 納米或更小，使設(shè)備密度達到每平方厘米 10 萬億個。”IEEE 研究員、英特爾董事會成員，加州大學伯克利分校工程學院院長Tsu-Jae King Liu說。

專家們似乎同意，2047 年的晶體管將需要新材料，可能還需要一種堆疊或 3D 架構(gòu)，以擴展計劃中的互補場效應(yīng)晶體管（CFET，或 3D 堆疊 CMOS）。Datta 表示，現(xiàn)在平行于硅平面的晶體管溝道可能需要變得垂直，以繼續(xù)增加密度.

AMD 高級研究員Richard Schultz表示，開發(fā)這些新設(shè)備的主要目標將是功耗。“重點將放在降低功耗和對先進冷卻解決方案的需求上，”他說。“需要重點關(guān)注在較低電壓下工作的設(shè)備。”

晶體管在 25 年后仍將是大多數(shù)計算的核心嗎？

很難想象一個計算不是用晶體管完成的世界，但是，當然，真空管曾經(jīng)是首選的數(shù)字開關(guān)。根據(jù)麥肯錫公司的數(shù)據(jù)，不直接依賴晶體管的量子計算的啟動資金在 2021 年達到了 14 億美元。

但電子設(shè)備專家表示，到 2047 年，量子計算的進步速度不足以挑戰(zhàn)晶體管。“晶體管仍將是最重要的計算元件，”IEEE 院士、加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學教授Sayeef Salahuddin說。“目前，即使有了理想的量子計算機，與經(jīng)典計算機相比，潛在的應(yīng)用領(lǐng)域似乎也相當有限。”

歐洲芯片研發(fā)中心 Imec 的 CMOS 技術(shù)高級副總裁Sri Samavedam對此表示贊同。“對于大多數(shù)通用計算應(yīng)用程序而言，晶體管仍將是非常重要的計算元件，”Samavedam 說。“人們不能忽視數(shù)十年來不斷優(yōu)化晶體管所實現(xiàn)的效率。”

2047的晶體管已經(jīng)發(fā)明了嗎？

二十五年是很長的時間，但在半導(dǎo)體研發(fā)的世界里，它并沒有那么長。“在這個行業(yè)，從 [展示一個概念] 到引入制造通常需要大約 20 年的時間，”Samavedam 說。“可以安全地假設(shè) 2047 的晶體管或開關(guān)架構(gòu)已經(jīng)在實驗室規(guī)模上進行了演示”，即使所涉及的材料不會完全相同。大約 25 年前與伯克利的同事展示了現(xiàn)代 FinFET 的 King Liu對此表示贊同。

但是，2047 年的晶體管已經(jīng)在某處實驗室中的想法并未得到普遍認同。Salahuddin也認為它還沒有被發(fā)明出來。“但就像 1990 年代的 FinFET 一樣，有可能對未來晶體管的幾何結(jié)構(gòu)做出合理的預(yù)測，”他說。

AMD 的 Schultz 說，你可以在提議的由 2D 半導(dǎo)體或碳基半導(dǎo)體制成的 3D 堆疊設(shè)備中瞥見這種結(jié)構(gòu)。“尚未發(fā)明的設(shè)備材料也可能在這個時間范圍內(nèi)，”他補充道。

到 2047 年，硅仍將是大多數(shù)晶體管的活躍部分嗎？

專家表示，大多數(shù)設(shè)備的核心，即晶體管溝道區(qū)域，仍將是硅，或者可能是硅鍺（已經(jīng)取得進展）或鍺。但在 2047 年，許多芯片可能會使用今天被認為奇特的半導(dǎo)體。這些可能包括氧化物半導(dǎo)體，如氧化銦鎵鋅；二維半導(dǎo)體，如金屬二硫族化物二硫化鎢；和一維半導(dǎo)體，例如碳納米管。Imec 的 Samavedam 說，甚至是“還有待發(fā)明的其他技術(shù)”。

AMD 高級研究員、IEEE 研究員 Gabriel Loh 指出，硅基芯片可能會與依賴更新材料的芯片集成在同一封裝中，就像處理器制造商如今將使用不同硅制造技術(shù)的芯片集成到同一封裝中一樣。

哪種半導(dǎo)體材料是設(shè)備的核心可能甚至不是 2047 年的核心問題。“溝道材料的選擇基本上取決于哪種材料與構(gòu)成設(shè)備其他部分的許多其他材料最兼容，”Salahuddin說。我們對將材料與硅集成非常了解。

到 2047 年，晶體管將在哪些地方普及，而這些地方現(xiàn)在還沒有？

到處。不，認真的。專家們確實希望一定程度的智能和感知能夠滲透到我們生活的方方面面。這意味著設(shè)備將附著在我們的身體上并植入體內(nèi)；嵌入各種基礎(chǔ)設(shè)施，包括道路、墻壁和房屋；織進我們的衣服；堅持我們的食物；在麥田里隨風搖曳；關(guān)注每條供應(yīng)鏈中的每一步；并在尚未有人想到的地方做許多其他事情。

晶體管將“無處不在，需要計算、命令和控制、通信、數(shù)據(jù)收集、存儲和分析、智能、傳感和驅(qū)動、與人類的交互，或者進入虛擬和混合現(xiàn)實世界的門戶，”斯坦福大學的 Wong 總結(jié)道。

編輯：黃飛

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