2047年，我們將會迎來晶體管問世的一百周年。屆時，晶體管會是怎樣的呢？會比今日所扮演的關(guān)鍵計算元件的角色更重要嗎？在最近的一篇文章中，IEEE Spectrum向世界各地的專家們征詢了他們的預(yù)測意見。

IEEE Spectrum （電氣電子工程師協(xié)會核心刊物）預(yù)測晶體管未來的專家人士包括：加布里埃爾 · 洛（Gabriel Loh）、斯里 · 薩馬韋達(dá)姆（Sri Samavedam）、薩耶夫 · 薩拉赫?。⊿ayeef Salahuddin）、理查德 · 舒爾茨（Richard Schultz）、蘇曼 · 達(dá)塔（Suman Datta）、金智杰（Tsu-Jae King Liu）和黃漢森（H.-S. Philip Wong）（見上圖，左起順時針）。

2047年的晶體管將會走向何方呢？

一位專家表示，預(yù)計晶體管將比今日更為多樣化。正如處理器從CPU發(fā)展到包括GPU、網(wǎng)絡(luò)處理器、AI加速器及其它專用計算芯片一樣，晶體管也將逐步發(fā)展以適應(yīng)各種用途。

斯坦福大學(xué)電氣工程教授，臺積電前企業(yè)研究副總裁、IEEE Fellow黃漢森（H.-S. Philip Wong）指出：「器件技術(shù)將面向特定應(yīng)用領(lǐng)域，就如計算架構(gòu)已經(jīng)成為面向應(yīng)用特定領(lǐng)域一般那樣發(fā)展。」

IEEE Fellow、佐治亞理工學(xué)院電子與計算機工程專業(yè)教授Suman Datta指出：「盡管晶體管愈發(fā)多樣，但其基本的工作原理——打開和關(guān)閉晶體管場效應(yīng)將可能長期保持不變?！?/p>

IEEE Fellow、UC伯克利工學(xué)院院長、英特爾董事會成員金智杰（Tsu-Jae King Liu）也表示，未來該元器件的最小臨界尺寸可能為 1nm 或更小，這將會使晶體管密度達(dá)到每平方厘米10萬億個晶體管。

「可以有把握地推測，2047年晶體管或交換機架構(gòu)將早已在實驗室規(guī)模下實現(xiàn)展示」——斯里 · 薩馬韋達(dá)姆（Sri Samavedam）

專家們似乎都一致認(rèn)為2047年的晶體管將需要更新的材料，且可能還需要一種堆疊的或3D的設(shè)計架構(gòu)以實現(xiàn)規(guī)劃中的互補場效應(yīng)晶體管（CFET或3D堆疊的互補金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS）能力拓展。Datta教授說道：「為了進(jìn)一步持續(xù)增加晶體管密度，現(xiàn)今平行于硅平面的晶體管溝道（channel）可能需要垂直設(shè)計?！?/p>

AMD公司高級研究員Richard Schultz指出：「開發(fā)這些新元器件的主要目的將在于功率優(yōu)化，研究將聚焦于功耗的降低以及先進(jìn)散熱解決方案的提出，其中尤需重點關(guān)注在較低電壓條件下工作的晶體管情況?！?/p>

25年后，晶體管仍會是大多數(shù)計算的核心嗎？

計算不通過晶體管來進(jìn)行？很難想象存在這樣一個世界，但實際上，真空管也曾經(jīng)是可選的數(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創(chuàng)業(yè)融資在 2021 年就已達(dá)到了14億美元。

但電子設(shè)備領(lǐng)域的專家表示，到2047年，量子計算的發(fā)展仍不足以快速進(jìn)步到能夠挑戰(zhàn)晶體管的地步。IEEE Fellow、UC伯克利電子工程與計算機科學(xué)專業(yè)教授Sayeef Salahuddin說道：「晶體管仍將在很長時間內(nèi)是最重要的計算元件。目前，即使有了理想的量子計算機，與經(jīng)典計算機相比，其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域似乎仍相當(dāng)有限?！?/p>

歐洲芯片研發(fā)中心微電子研究中心（Imec）的CMOS技術(shù)高級副總裁 Sri Samavedam對此表示贊同。他說道：「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，人們不能忽視數(shù)十年來不斷努力優(yōu)化晶體管所實現(xiàn)的效率提升。」

2047年的晶體管，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)明出來了嗎？

25年相當(dāng)漫長，但在半導(dǎo)體研發(fā)世界里，這一時間長度的作用卻十分有限。

Samavedam說道：「在半導(dǎo)體行業(yè)里，從概念階段到引入制造階段通常需要大約20年的時間?！?5年前與伯克利學(xué)院同事展示了鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）的金智杰教授（Tsu-Jae King Liu）也深以為然，她說道：「即使 2047年晶體管所用材料可能不完全和現(xiàn)在設(shè)計階段的一致，但我們還是很有把握去推測，2047年的晶體管或交換機架構(gòu)早已在實驗室層面實現(xiàn)了產(chǎn)出展示。」

但是，2047年的晶體管已經(jīng)發(fā)明出來并存在于某處實驗室中的想法并未得到普遍認(rèn)同。比如說，Sayeef Salahuddin教授就認(rèn)為它還沒有被發(fā)明出來。「不過就像20世紀(jì)90年代的鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）一樣，現(xiàn)在可能有人確實對未來晶體管的幾何結(jié)構(gòu)做出了合理的預(yù)測，」他如此說道。

AMD公司的Schultz表示，大家可以在現(xiàn)今提議的由2D半導(dǎo)體或碳基半導(dǎo)體制成的3D堆疊元件中瞥見這種結(jié)構(gòu)。他補充道：「尚未發(fā)明的元器件材料也可能在此時間范圍內(nèi)面世?！?/p>

2047年，硅是否仍將是大多數(shù)晶體管的活躍成分？

專家們表示，大多數(shù)元器件的核心，即晶體管溝道區(qū)域，仍將使用硅材料，抑或可能是早已在研究中取得一定突破的硅 - 鍺材料或鍺材料。然而，在2047年，許多芯片可能會使用現(xiàn)今被認(rèn)為奇特的半導(dǎo)體，包括諸如氧化銦鎵鋅在內(nèi)的氧化物半導(dǎo)體、 金屬二硫族化物二硫化鎢等二維（2D）半導(dǎo)體以及碳納米管等一維半導(dǎo)體。微電子研究中心（Imec） 的 Samavedam 指出，這些奇特的半導(dǎo)體甚至?xí)恰钙渌写l(fā)明的東西」。

「晶體管仍將是最重要的計算元件」——薩耶夫 · 薩拉赫丁（Sayeef Salahuddin）

AMD高級研究員、 IEEE Fellow Gabriel Loh 指出，硅基芯片可能會與依賴更新材料制成的芯片集成在同一封裝中，就如同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)體材料將會成為半導(dǎo)體的核心元件甚至都可能不會是2047年的核心問題。Salahuddin表示：「半導(dǎo)體溝道材料的選擇本質(zhì)上取決于它是否可以同構(gòu)成晶體管的諸多其它材料最為兼容?！箤τ趯⒍喾N材料同硅材集成在一起，目前人們知之甚多。

在2047年，晶體管將會普及在哪些今日尚未滲透的領(lǐng)域呢？

它將隨處可見。這絕非玩笑，而是非常認(rèn)真的論點。專家們確實希望一些智能和傳感元件可以滲透到我們生活的方方面面。這意味著這些元器件將出現(xiàn)在以下場景中：

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(jìn)我們的衣物中；

粘在我們的食物上；

在麥田里隨風(fēng)搖曳；

在每條供應(yīng)鏈中密切關(guān)注每一個環(huán)節(jié)；

在超乎人們想象的場景中幫助做許多其他的事情。

斯坦福大學(xué)黃漢森（Wong）總結(jié)到：「晶體管將會出現(xiàn)在所有需要計算、命令控制、通信、數(shù)據(jù)收集、存儲分析、智能、傳感驅(qū)動、與人類進(jìn)行交互，或進(jìn)入虛擬和混合現(xiàn)實世界門戶的方方面面。」

審核編輯 ：李倩