晶體管誕生100周年時(shí)會(huì)是什么樣？

2047年將迎來晶體管發(fā)明100周年。那時(shí)的晶體管會(huì)是什么樣子？它們還會(huì)像今天這樣依然是關(guān)鍵計(jì)算元素嗎？本文邀請專家進(jìn)行了預(yù)測。

2047年的晶體管會(huì)是什么樣子？

一位研究人員說，預(yù)計(jì)晶體管會(huì)比現(xiàn)在更加多樣化。正如處理器從中央處理器（CPU）發(fā)展到包括圖形處理器（GPU）、網(wǎng)絡(luò)處理器、人工智能加速器和其他專用計(jì)算芯片一樣，晶體管也將發(fā)展到滿足各種用途。“就像計(jì)算架構(gòu)已具有特定應(yīng)用領(lǐng)域針對性一樣，設(shè)備技術(shù)也將以同樣方式變得有特定應(yīng)用領(lǐng)域針對性。”IEEE會(huì)士、斯坦福大學(xué)電氣工程教授、臺積電前企業(yè)研究副總裁黃漢森說。 IEEE會(huì)士、佐治亞理工學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程教授兼多所大學(xué)納米技術(shù)聯(lián)合研究中心ASCENT主任蘇曼?達(dá)塔（Suman Datta）認(rèn)為，盡管種類繁多，但其基本工作原理（開關(guān)晶體管的場效應(yīng)）很可能保持不變。IEEE會(huì)士、加州大學(xué)伯克利分校工程學(xué)院院長兼英特爾董事會(huì)成員金智潔表示，這種裝置的最小臨界尺寸可能不到1納米，能夠?qū)崿F(xiàn)每平方厘米10萬億的裝置密度。 專家們似乎都認(rèn)為，2047年的晶體管將需要新材料，而且可能需要堆疊或具備3D架構(gòu)，并在規(guī)劃的互補(bǔ)場效應(yīng)晶體管（CFET）或3D堆疊互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）上進(jìn)行擴(kuò)展。（關(guān)于CFET的更多信息，請參見本期雜志《將摩爾定律推向新高度》一文。）達(dá)塔說，為了繼續(xù)提高密度，現(xiàn)在與硅平面平行的晶體管溝道可能需要變成垂直的。 美國超威半導(dǎo)體公司（AMD）高級研究員理查德?舒爾茨（Richard Schultz）表示，功耗將是開發(fā)這些新裝置的主要目標(biāo)。“重點(diǎn)將放在降低功耗和對先進(jìn)冷卻解決方案的需求上。”他說，“還需要重點(diǎn)關(guān)注在較低電壓下工作的裝置。”

晶體管還會(huì)是大多數(shù)計(jì)算的核心嗎？

雖然很難想象一個(gè)沒有晶體管的世界，但真空管也曾是數(shù)字開關(guān)的首選。麥肯錫公司的數(shù)據(jù)表明，2021年，量子計(jì)算的啟動(dòng)資金達(dá)到14億美元，而量子計(jì)算并不直接依賴晶體管。 不過電子設(shè)備專家表示，到2047年，量子計(jì)算的發(fā)展速度還不足以挑戰(zhàn)晶體管的地位。“晶體管仍將是最重要的計(jì)算元件。”IEEE會(huì)士、加州大學(xué)伯克利分校電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授薩耶夫?薩拉赫丁（Sayeef Salahuddin）說，“目前，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比，即使是理想的量子計(jì)算機(jī)，其可能的應(yīng)用領(lǐng)域也似乎相當(dāng)有限。” 歐洲芯片研發(fā)中心（Imec）負(fù)責(zé)CMOS技術(shù)的高級副總裁斯里?薩瑪達(dá)姆（Sri Samavedam）對此表示贊同。“對于大多數(shù)通用計(jì)算應(yīng)用來說，晶體管仍將是非常重要的計(jì)算元件。”他說，“我們不能忽視幾十年來晶體管不斷優(yōu)化所實(shí)現(xiàn)的效率。”

2047年的晶體管是否已被發(fā)明出來？

雖然25年不短，但在半導(dǎo)體研發(fā)領(lǐng)域，這也并不算長。（參見本期的《晶體管終極時(shí)間軸》。）“在這個(gè)行業(yè)，（從概念演示）到引入制造通常需要20年左右。”薩瑪達(dá)姆說，“我們可以有把握地設(shè)想2047年的晶體管或開關(guān)架構(gòu)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室范圍進(jìn)行了演示。”即使所涉及的材料不完全相同。金智潔對此表示贊同，大約25年前，她與伯克利的同事一起演示了現(xiàn)代FinFET技術(shù)。 不過，2047年的晶體管已經(jīng)在某個(gè)實(shí)驗(yàn)室存在的看法并沒有得到普遍認(rèn)同。例如，薩拉赫丁認(rèn)為它還沒有被發(fā)明出來。他說，“但就像20世紀(jì)90年代的鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）一樣”，對未來晶體管的“幾何結(jié)構(gòu)做出合理預(yù)測是可能的”。 AMD的舒爾茨表示，我們可以在2D半導(dǎo)體或碳基半導(dǎo)體制成的擬3D堆疊裝置中看到這種結(jié)構(gòu)。“尚未發(fā)明的裝置材料也可能在這個(gè)時(shí)間框架內(nèi)出現(xiàn)。”他補(bǔ)充道。

到2047年，硅還會(huì)是大多數(shù)晶體管的有效部分嗎？

專家表示，大多數(shù)裝置的核心（晶體管溝道區(qū)）仍將是硅，也可能是硅鍺（已經(jīng)取得進(jìn)展）或鍺。但到2047年，許多芯片可能會(huì)使用現(xiàn)在看似新奇的半導(dǎo)體。Imec 的薩瑪達(dá)姆說，可能包括氧化物半導(dǎo)體，如銦鎵鋅氧化物；2D半導(dǎo)體，如金屬二硫化物二硫化鎢；一維半導(dǎo)體，如碳納米管；甚至是“其他尚未發(fā)明的物質(zhì)”。 IEEE會(huì)士、AMD高級研究員加布里埃爾?洛（Gabriel Loh）指出，硅基芯片可能會(huì)與依靠新材料的芯片集成在同一個(gè)封裝中，就像今天的處理器制造商使用不同硅制造技術(shù)將多塊芯片集成在同一個(gè)封裝中一樣。 到2047年，哪種半導(dǎo)體材料會(huì)是半導(dǎo)體的核心甚至可能不是關(guān)鍵問題。“溝道材料的選擇基本上取決于哪種材料能與構(gòu)成器件其他部分的多種材料最為兼容。”薩拉赫丁說。我們對將硅與其他材料的集成非常了解。

未來，晶體管會(huì)在哪些如今還沒有應(yīng)用的領(lǐng)域得到普及？

認(rèn)真地說，無處不在。專家確實(shí)希望一定數(shù)量的智能和感知能夠滲透到我們生活的方方面面。這意味著晶體管將附著在我們的身體上甚至植入體內(nèi)；嵌入各種基礎(chǔ)設(shè)施，如道路、墻壁和房屋；織進(jìn)我們的衣服；粘在我們的食物上；在糧田的微風(fēng)中搖曳；監(jiān)視每條供應(yīng)鏈的每一步；在我們還沒有想到的地方完成許多其他事宜。 斯坦福大學(xué)的黃漢森教授總結(jié)道：“晶體管將出現(xiàn)在任何需要計(jì)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(dòng)、與人類交互的地方，或者出現(xiàn)在虛擬和混合現(xiàn)實(shí)世界的入口。”

審核編輯 ：李倩