晶體管的第一個76年：變小了，卻變大了？

1947年，當(dāng)John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley成功制造出了世界上第一個能正常工作的晶體管時，他們未曾想到，晶體管如今會成為電子產(chǎn)品的最重要組成部分。晶體管被譽(yù)為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，它改進(jìn)了真空管在功耗和尺寸方面的缺陷，為電子設(shè)備的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，也為人們帶來了便捷高效的數(shù)字化生活。

晶體管從發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)過去了76年。毫無疑問，76年的時間對于普通人而言是一個巨大的跨越，我們可能已經(jīng)無法想象出沒有晶體管的世界是什么樣子了。76年來，無數(shù)工程師和開發(fā)者們前赴后繼，在一次又一次的顛覆式創(chuàng)新中重塑晶體管的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。如今，智能手機(jī)的處理器集成平均100億個晶體管，想必已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎Bardeen、Brattain和Shockley的想象。

本文將回顧晶體管的歷史，探討其未來的發(fā)展方向，并分析晶體管基本結(jié)構(gòu)的更新?lián)Q代，以及最新的Multi-Die系統(tǒng)的應(yīng)用前景。

晶體管的發(fā)明靈感從何而來？

從第一個點接觸型晶體管（圖1）出現(xiàn)后，晶體管已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。但在晶體管誕生之前，電子的發(fā)現(xiàn)和真空管的發(fā)明已經(jīng)成為了電子技術(shù)發(fā)展的里程碑。

圖1：點接觸型晶體管示意圖

電子比真空管的出現(xiàn)早10年，又過了40年晶體管才誕生。真空管可在“開”和“關(guān)”狀態(tài)之間切換電信號或電源（類似于繼電器）并放大信號，有效控制電路中電子的流動，為數(shù)字設(shè)計和模擬設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

真空管有一個玻璃管，里面有一根金屬燈絲，很像電燈泡。它開啟了電子產(chǎn)品的新紀(jì)元，推動了臺式收音機(jī)和早期計算機(jī)的出現(xiàn)，但這些設(shè)備都存在體積大、功耗高的缺點。晶體管由一小塊矩形半導(dǎo)體材料（硅或鍺）制成，有助于大幅降低現(xiàn)有設(shè)計的功耗，并構(gòu)建更龐大、更復(fù)雜的系統(tǒng)。

十年后，可排布多個晶體管和其他電子元件的集成電路（IC）出現(xiàn)，成為推動晶體管普及的核心驅(qū)動力。1969年人類首次成功登月，阿波羅11號航天器登月艙和兩臺指揮計算機(jī)中嵌入的IC功不可沒，這是使用真空管無法實現(xiàn)的壯舉。

滿足新興的應(yīng)用需求

應(yīng)用在尺寸、性能和功耗方面不斷產(chǎn)生新的需求，推動晶體管不斷發(fā)展。如今，復(fù)雜架構(gòu)系統(tǒng)中集成了數(shù)十億個晶體管，電子設(shè)備因此得以實現(xiàn)微型化，開發(fā)者可以打造更高效可靠的設(shè)備。

圖2：CMOS晶體管示意圖

應(yīng)用的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，這也影響著晶體管過去幾十年的發(fā)展歷程。

第一階段是縮小通信和計算設(shè)備的尺寸，例如小型收音機(jī)或計算機(jī)，就像阿波羅11號所用的計算機(jī)。隨著個人計算機(jī)的不斷普及，應(yīng)用的發(fā)展進(jìn)入第二階段，即提升應(yīng)用本身的能力：利用計算機(jī)等功能強(qiáng)大的創(chuàng)新設(shè)備執(zhí)行新的功能，例如用計算機(jī)寫文檔或玩游戲。這一思路也推動了IC的發(fā)展。

到了第三階段，IC和晶體管開始用于移動電話、數(shù)碼相機(jī)、音樂播放器以及集成了所有這些功能的智能手機(jī)。這是一個劃時代的突破，堪比2007年的MacWorld Expo，當(dāng)時史蒂夫·喬布斯發(fā)布了史上第一款iPhone，將手機(jī)、PC和iPod的功能融為一體。

轉(zhuǎn)向Multi-Die系統(tǒng)

1960年代后，IC通常使用傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)來設(shè)計數(shù)字電路。之后幾十年，IC逐步向更新的結(jié)構(gòu)過渡：2011年，F(xiàn)inFET（鰭式場效）晶體管（圖3）面世了；預(yù)計到2024年，更加優(yōu)化的GAA（全環(huán)繞柵極）晶體管將成為技術(shù)推進(jìn)的主流。它著重于于克服鰭式結(jié)構(gòu)的表面粗糙所帶來的技術(shù)限制。

圖3：英特爾從32納米平面晶體管（左）過渡到22納米的三柵極FinFET晶體管（右）

除了縮小晶體管尺寸、提高晶體管密度外，開發(fā)者還致力于開發(fā)新材料、優(yōu)化設(shè)備的功耗并提升計算速度。

單個芯片能容納的晶體管數(shù)量是有限的，制造商已經(jīng)接近這一物理極限，未來的芯片將在單個封裝中集成多個小芯片，在某些情況下將采用垂直堆疊。雖然部分晶體管可以使用GAA技術(shù)設(shè)計，但有些晶體管仍需采用平面架構(gòu)，以便嵌入1D或2D設(shè)備。

Multi-Die系統(tǒng)幫助開發(fā)者擴(kuò)展系統(tǒng)功能，已成為半導(dǎo)體行業(yè)的主流，這讓開發(fā)團(tuán)隊擁有了更多工具，更有機(jī)會實現(xiàn)簡化的3D集成。

未來的晶體管將趨向高度專用化，這也為團(tuán)隊帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。不僅需要確保系統(tǒng)能容納不同類型的晶體管，也要確保系統(tǒng)可以高效運(yùn)行。其關(guān)鍵在于采用以系統(tǒng)為中心的設(shè)計思維，自下而上地建構(gòu)式設(shè)計晶體管。

從VR頭盔到飛行器：下一波會是什么？

電路開發(fā)者期望盡量少選擇不同特定類型的晶體管。然而，無論在芯片級還是系統(tǒng)級的應(yīng)用中，未來的晶體管的選擇都將由專用領(lǐng)域和特定材料來決定。

在這樣的背景下，摩爾定律如何“續(xù)命”？新思科技認(rèn)為，摩爾定律仍將延續(xù)，但我們需要重新定義“晶體管密度”。

例如，我們是否還需要考慮單位面積或單位計算方式的晶體管數(shù)量？鑒于單位計算方式已經(jīng)將三維體積和最大橫截面考慮在內(nèi)，隨著晶體管的尺寸不斷縮小，這或?qū)⒊蔀楹饬烤w管性能和速度的更好指標(biāo)。

如今的應(yīng)用致力于擴(kuò)展人類感知、觀察、理解世界的能力，虛擬現(xiàn)實（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）的發(fā)展令人興奮。同樣，自動駕駛汽車也在使用各種以集成電路驅(qū)動的傳感器、攝像頭以及其他電子系統(tǒng)去提取信息，保證安全行駛。

從最初的單個晶體管到現(xiàn)在龐大的芯片系統(tǒng)，晶體管變得更小、更輕，成本也更低。這帶來了新的機(jī)遇，例如協(xié)同設(shè)計硬件系統(tǒng)及其運(yùn)行的軟件。

當(dāng)下再一次掀起的晶體管發(fā)明的熱潮，潛力巨大，未來可期。而實現(xiàn)突破的關(guān)鍵在于找到一種更好的方法，以系統(tǒng)為中心設(shè)計小芯粒，通過更優(yōu)化的晶體管，從而助力創(chuàng)造更美好的數(shù)智未來。