什么是晶體管呢？ 世界需要更好的晶體管嗎？

晶體管泛指一切以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的單一元件，包括各種半導(dǎo)體材料制成的二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、晶閘管等。晶體管具有檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制等多種功能，晶體管可用于各種各樣的數(shù)字和模擬功能。1947年12月16日,威廉·邵克雷(William Shockley)、約翰·巴頓(John Bardeen)和沃特·布拉頓(Walter Brattain)成功地在貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出第一個(gè)晶體管。晶體管是現(xiàn)代電器的最關(guān)鍵的元件之一。晶體管之所以能夠大規(guī)模使用是因?yàn)樗芤詷O低的單位成本被大規(guī)模生產(chǎn)。

晶體管是一種半導(dǎo)體器件，放大器或電控開關(guān)常用。晶體管是規(guī)范操作電腦，手機(jī)，和所有其他現(xiàn)代電子電路的基本構(gòu)建塊。由于其響應(yīng)速度快，準(zhǔn)確性高，晶體管可用于各種各樣的數(shù)字和模擬功能，包括放大，開關(guān)，穩(wěn)壓，信號(hào)調(diào)制和振蕩器。晶體管可獨(dú)立包裝或在一個(gè)非常小的區(qū)域，可容納一億或更多的晶體管集成電路的一部分。

晶體管的發(fā)明，最早可以追溯到1929年，當(dāng)時(shí)工程師利蓮費(fèi)爾德就已經(jīng)取得一種晶體管的專利。但是，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，制造晶體管的材料達(dá)不到足夠的純度，而使其無法制造出來。

1947年12月，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組，研制出一種點(diǎn)接觸型的鍺晶體管。1956年，肖克利、巴丁、布拉頓三人，因發(fā)明晶體管同時(shí)榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。肖克利也被譽(yù)為晶體管之父。

芯片有如此強(qiáng)大的功能，為什么晶體管可以勝任呢?

我們知道，對(duì)于數(shù)字電路來講，邏輯是其精髓所在，所有的功能歸根結(jié)底，都可以說是邏輯功能。而邏輯的基本構(gòu)成元素是邏輯0和邏輯1。

而晶體管恰好具備這種功能--通過電信號(hào)來控制自身開合，以開關(guān)的斷開和閉合來代表0和1。

晶體管數(shù)量/密度一直是衡量半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步的重要指標(biāo)，目前已經(jīng)可以做到單芯片1000多億個(gè)晶體管，比如Intel Ponte Vecchio GPU。

IEDM 2022 IEEE國際電子器件會(huì)議上，Intel公布了多項(xiàng)新的技術(shù)突破，將繼續(xù)貫徹已經(jīng)誕生75年的摩爾定律，目標(biāo)是在2030年做到單芯片集成1萬億個(gè)晶體管，是目前的10倍。從應(yīng)變硅、高K金屬柵極、FinFET立體晶體管，到未來的RibbonFET GAA環(huán)繞柵極晶體管、PowerVia后置供電，再到2.5D EMIB+3D Foveros、Foveros Direct/Omni封裝技術(shù)，Intel一直在從各項(xiàng)技術(shù)上推動(dòng)摩爾定律。

IEDM 2022會(huì)議上，Intel披露了三個(gè)方面的技術(shù)突破：

1、下一代3D封裝準(zhǔn)單芯片

基于混合鍵合(hybrid bonding)，將集成密度和性能再提升10倍。同時(shí)，間距縮小到3微米，使得多芯片互連密度和帶寬媲美如今的單芯片SoC。

2、超薄2D材料在單芯片內(nèi)集成更多晶體管

使用厚度僅僅3個(gè)原子的2D通道材料，Intel展示了GAA堆棧納米片，在雙柵極結(jié)構(gòu)上，在室溫環(huán)境、低漏電率下，達(dá)成了非常理想的晶體管開關(guān)速度。第一次深入揭示了2D材料的電接觸拓?fù)?，可?shí)現(xiàn)更高性能、更有彈性的晶體管通道。

3、高性能計(jì)算能效、內(nèi)存新突破

Intel研發(fā)了可垂直堆疊在晶體管之上的全新內(nèi)存，并首次展示了全新的堆疊鐵電電容，性能媲美傳統(tǒng)鐵電溝道電容，可用于在邏輯芯片上打造FeRAM。

Intel正在打造300毫米直徑的硅上氮化鎵晶圓，比標(biāo)準(zhǔn)的氮化鎵提升20倍。Intel在超高能效方面也取得了新的突破，尤其是晶體管在斷電后也能保存數(shù)據(jù)，三道障礙已經(jīng)突破兩道，很快就能達(dá)成在室溫下可靠運(yùn)行。

世界需要更好的晶體管嗎?如果需要的話，他們會(huì)是什么樣子?

是的，我們將需要新的晶體管，而且今天已經(jīng)有了一些關(guān)于它們會(huì)是什么樣子的暗示。現(xiàn)在是否有意愿和經(jīng)濟(jì)能力制造它們是個(gè)問題。

晶體管現(xiàn)在是并將繼續(xù)是應(yīng)對(duì)全球變暖影響的關(guān)鍵。氣候變化可能會(huì)給社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和個(gè)人帶來巨變，因此需要能夠賦予人類能力更強(qiáng)的工具。

GlobalFoundries 工廠的 300 毫米晶圓充滿了先進(jìn)的晶體管

半導(dǎo)體可以像其他技術(shù)一樣提高人類的能力。幾乎根據(jù)定義，所有技術(shù)都可以提高人類的能力。但對(duì)他們中的大多數(shù)人來說，自然資源和能源的限制使得數(shù)量級(jí)的改善值得懷疑。基于晶體管的技術(shù)是一個(gè)獨(dú)特的例外，原因如下。

隨著晶體管的改進(jìn)，它們使新的能力成為可能，例如計(jì)算和高速通信、互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)、內(nèi)存和存儲(chǔ)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能，以及其他還沒有人想到的東西。

這些能力具有廣泛的應(yīng)用，它們改變了所有技術(shù)、行業(yè)和科學(xué)。半導(dǎo)體技術(shù)的增長不像其他技術(shù)那樣受到其材料和能源使用的限制。IC 使用相對(duì)少量的材料。因此，它們變得越來越小，它們使用的材料越少，它們變得越快、越節(jié)能、越有能力。

從理論上講，信息處理所需的能量仍然可以減少到今天所需能量的千分之一以下。雖然我們還不知道如何達(dá)到這種理論效率，但我們知道將能源效率提高一千倍并不違反物理定律。相比之下，大多數(shù)其他技術(shù)(例如電機(jī)和照明)的能源效率已經(jīng)達(dá)到其理論極限的 30% 到 80%。