晶体管诞生100周年时会是什么样？

晶体管诞生100周年时会是什么样？

2047年将迎来晶体管发明100周年。那时的晶体管会是什么样子？它们还会像今天这样依然是关键计算元素吗？本文邀请专家进行了预测。

2047年的晶体管会是什么样子？

一位研究人员说，预计晶体管会比现在更加多样化。正如处理器从中央处理器（CPU）发展到包括图形处理器（GPU）、网络处理器、人工智能加速器和其他专用计算芯片一样，晶体管也将发展到满足各种用途。“就像计算架构已具有特定应用领域针对性一样，设备技术也将以同样方式变得有特定应用领域针对性。”IEEE会士、斯坦福大学电气工程教授、台积电前企业研究副总裁黄汉森说。 IEEE会士、佐治亚理工学院电气和计算机工程教授兼多所大学纳米技术联合研究中心ASCENT主任苏曼•达塔（Suman Datta）认为，尽管种类繁多，但其基本工作原理（开关晶体管的场效应）很可能保持不变。IEEE会士、加州大学伯克利分校工程学院院长兼英特尔董事会成员金智洁表示，这种装置的最小临界尺寸可能不到1纳米，能够实现每平方厘米10万亿的装置密度。 专家们似乎都认为，2047年的晶体管将需要新材料，而且可能需要堆叠或具备3D架构，并在规划的互补场效应晶体管（CFET）或3D堆叠互补金属氧化物半导体（CMOS）上进行扩展。（关于CFET的更多信息，请参见本期杂志《将摩尔定律推向新高度》一文。）达塔说，为了继续提高密度，现在与硅平面平行的晶体管沟道可能需要变成垂直的。 美国超威半导体公司（AMD）高级研究员理查德•舒尔茨（Richard Schultz）表示，功耗将是开发这些新装置的主要目标。“重点将放在降低功耗和对先进冷却解决方案的需求上。”他说，“还需要重点关注在较低电压下工作的装置。”

晶体管还会是大多数计算的核心吗？

虽然很难想象一个没有晶体管的世界，但真空管也曾是数字开关的首选。麦肯锡公司的数据表明，2021年，量子计算的启动资金达到14亿美元，而量子计算并不直接依赖晶体管。 不过电子设备专家表示，到2047年，量子计算的发展速度还不足以挑战晶体管的地位。“晶体管仍将是最重要的计算元件。”IEEE会士、加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授萨耶夫•萨拉赫丁（Sayeef Salahuddin）说，“目前，与经典计算机相比，即使是理想的量子计算机，其可能的应用领域也似乎相当有限。” 欧洲芯片研发中心（Imec）负责CMOS技术的高级副总裁斯里•萨玛达姆（Sri Samavedam）对此表示赞同。“对于大多数通用计算应用来说，晶体管仍将是非常重要的计算元件。”他说，“我们不能忽视几十年来晶体管不断优化所实现的效率。”

2047年的晶体管是否已被发明出来？

虽然25年不短，但在半导体研发领域，这也并不算长。（参见本期的《晶体管终极时间轴》。）“在这个行业，（从概念演示）到引入制造通常需要20年左右。”萨玛达姆说，“我们可以有把握地设想2047年的晶体管或开关架构已经在实验室范围进行了演示。”即使所涉及的材料不完全相同。金智洁对此表示赞同，大约25年前，她与伯克利的同事一起演示了现代FinFET技术。 不过，2047年的晶体管已经在某个实验室存在的看法并没有得到普遍认同。例如，萨拉赫丁认为它还没有被发明出来。他说，“但就像20世纪90年代的鳍式场效应晶体管（FinFET）一样”，对未来晶体管的“几何结构做出合理预测是可能的”。 AMD的舒尔茨表示，我们可以在2D半导体或碳基半导体制成的拟3D堆叠装置中看到这种结构。“尚未发明的装置材料也可能在这个时间框架内出现。”他补充道。

到2047年，硅还会是大多数晶体管的有效部分吗？

专家表示，大多数装置的核心（晶体管沟道区）仍将是硅，也可能是硅锗（已经取得进展）或锗。但到2047年，许多芯片可能会使用现在看似新奇的半导体。Imec 的萨玛达姆说，可能包括氧化物半导体，如铟镓锌氧化物；2D半导体，如金属二硫化物二硫化钨；一维半导体，如碳纳米管；甚至是“其他尚未发明的物质”。 IEEE会士、AMD高级研究员加布里埃尔•洛（Gabriel Loh）指出，硅基芯片可能会与依靠新材料的芯片集成在同一个封装中，就像今天的处理器制造商使用不同硅制造技术将多块芯片集成在同一个封装中一样。 到2047年，哪种半导体材料会是半导体的核心甚至可能不是关键问题。“沟道材料的选择基本上取决于哪种材料能与构成器件其他部分的多种材料最为兼容。”萨拉赫丁说。我们对将硅与其他材料的集成非常了解。

未来，晶体管会在哪些如今还没有应用的领域得到普及？

认真地说，无处不在。专家确实希望一定数量的智能和感知能够渗透到我们生活的方方面面。这意味着晶体管将附着在我们的身体上甚至植入体内；嵌入各种基础设施，如道路、墙壁和房屋；织进我们的衣服；粘在我们的食物上；在粮田的微风中摇曳；监视每条供应链的每一步；在我们还没有想到的地方完成许多其他事宜。 斯坦福大学的黄汉森教授总结道：“晶体管将出现在任何需要计算、命令和控制、通信、数据收集、存储和分析、智能、传感和驱动、与人类交互的地方，或者出现在虚拟和混合现实世界的入口。”

审核编辑 ：李倩