晶体管的第一个76年：变小了，却变大了？

1947年，当John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley成功制造出了世界上第一个能正常工作的晶体管时，他们未曾想到，晶体管如今会成为电子产品的最重要组成部分。晶体管被誉为20世纪最伟大的发明之一，它改进了真空管在功耗和尺寸方面的缺陷，为电子设备的发展奠定了基础，也为人们带来了便捷高效的数字化生活。

晶体管从发明到现在已经过去了76年。毫无疑问，76年的时间对于普通人而言是一个巨大的跨越，我们可能已经无法想象出没有晶体管的世界是什么样子了。76年来，无数工程师和开发者们前赴后继，在一次又一次的颠覆式创新中重塑晶体管的结构和应用。如今，智能手机的处理器集成平均100亿个晶体管，想必已经远远超乎Bardeen、Brattain和Shockley的想象。

本文将回顾晶体管的历史，探讨其未来的发展方向，并分析晶体管基本结构的更新换代，以及最新的Multi-Die系统的应用前景。

1. 晶体管的发明灵感从何而来?

从第一个点接触型晶体管(图1)出现后，晶体管已经取得了长足的进步。但在晶体管诞生之前，电子的发现和真空管的发明已经成为了电子技术发展的里程碑。

图1：点接触型晶体管示意图

电子比真空管的出现早10年，又过了40年晶体管才诞生。真空管可在“开”和“关”状态之间切换电信号或电源(类似于继电器)并放大信号，有效控制电路中电子的流动，为数字设计和模拟设计奠定了基础。

真空管有一个玻璃管，里面有一根金属灯丝，很像电灯泡。它开启了电子产品的新纪元，推动了台式收音机和早期计算机的出现，但这些设备都存在体积大、功耗高的缺点。晶体管由一小块矩形半导体材料(硅或锗)制成，有助于大幅降低现有设计的功耗，并构建更庞大、更复杂的系统。

十年后，可排布多个晶体管和其他电子元件的集成电路(IC)出现，成为推动晶体管普及的核心驱动力。1969年人类首次成功登月，阿波罗11号航天器登月舱和两台指挥计算机中嵌入的IC功不可没，这是使用真空管无法实现的壮举。

2. 满足新兴的应用需求

应用在尺寸、性能和功耗方面不断产生新的需求，推动晶体管不断发展。如今，复杂架构系统中集成了数十亿个晶体管，电子设备因此得以实现微型化，开发者可以打造更高效可靠的设备。

图2：CMOS晶体管示意图

应用的发展经历了三个阶段，这也影响着晶体管过去几十年的发展历程。

第一阶段是缩小通信和计算设备的尺寸，例如小型收音机或计算机，就像阿波罗11号所用的计算机。随着个人计算机的不断普及，应用的发展进入第二阶段，即提升应用本身的能力：利用计算机等功能强大的创新设备执行新的功能，例如用计算机写文档或玩游戏。这一思路也推动了IC的发展。

到了第三阶段，IC和晶体管开始用于移动电话、数码相机、音乐播放器以及集成了所有这些功能的智能手机。这是一个划时代的突破，堪比2007年的MacWorld Expo，当时史蒂夫·乔布斯发布了史上第一款iPhone，将手机、PC和iPod的功能融为一体。

3. 转向Multi-Die系统

1960年代后，IC通常使用传统的平面结构来设计数字电路。之后几十年，IC逐步向更新的结构过渡：2011年，FinFET(鳍式场效)晶体管(图3)面世了;预计到2024年，更加优化的GAA(全环绕栅极)晶体管将成为技术推进的主流。它着重于于克服鳍式结构的表面粗糙所带来的技术限制。

图3：英特尔从32纳米平面晶体管(左)过渡到22纳米的三栅极FinFET晶体管(右)

除了缩小晶体管尺寸、提高晶体管密度外，开发者还致力于开发新材料、优化设备的功耗并提升计算速度。

单个芯片能容纳的晶体管数量是有限的，制造商已经接近这一物理极限，未来的芯片将在单个封装中集成多个小芯片，在某些情况下将采用垂直堆叠。虽然部分晶体管可以使用GAA技术设计，但有些晶体管仍需采用平面架构，以便嵌入1D或2D设备。

Multi-Die系统帮助开发者扩展系统功能，已成为半导体行业的主流，这让开发团队拥有了更多工具，更有机会实现简化的3D集成。

未来的晶体管将趋向高度专用化，这也为团队带来了机遇和挑战。不仅需要确保系统能容纳不同类型的晶体管，也要确保系统可以高效运行。其关键在于采用以系统为中心的设计思维，自下而上地建构式设计晶体管。

4. 从VR头盔到飞行器：下一波会是什么?

电路开发者期望尽量少选择不同特定类型的晶体管。然而，无论在芯片级还是系统级的应用中，未来的晶体管的选择都将由专用领域和特定材料来决定。

在这样的背景下，摩尔定律如何“续命”?新思科技认为，摩尔定律仍将延续，但我们需要重新定义“晶体管密度”。

例如，我们是否还需要考虑单位面积或单位计算方式的晶体管数量?找元器件现货上唯样商城鉴于单位计算方式已经将三维体积和最大横截面考虑在内，随着晶体管的尺寸不断缩小，这或将成为衡量晶体管性能和速度的更好指标。

如今的应用致力于扩展人类感知、观察、理解世界的能力，虚拟现实(VR)和增强现实(AR)的发展令人兴奋。同样，自动驾驶汽车也在使用各种以集成电路驱动的传感器、摄像头以及其他电子系统去提取信息，保证安全行驶。

从最初的单个晶体管到现在庞大的芯片系统，晶体管变得更小、更轻，成本也更低。这带来了新的机遇，例如协同设计硬件系统及其运行的软件。

当下再一次掀起的晶体管发明的热潮，潜力巨大，未来可期。而实现突破的关键在于找到一种更好的方法，以系统为中心设计小芯粒，通过更优化的晶体管，从而助力创造更美好的数智未来。

(文章来源： 新思科技)

审核编辑：汤梓红