【導讀】1947年，當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品的最重要組成部分。晶體管被譽為20世紀最偉大的發明之一，它改進了真空管在功耗和尺寸方面的缺陷，為電子設備的發展奠定了基礎，也為人們帶來了便捷高效的數字化生活。
1947年，當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品的最重要組成部分。晶體管被譽為20世紀最偉大的發明之一，它改進了真空管在功耗和尺寸方面的缺陷，為電子設備的發展奠定了基礎，也為人們帶來了便捷高效的數字化生活。
晶體管從發明到現在已經過去了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，我們可能已經無法想象出沒有晶體管的世界是什么樣子了。76年來，無數工程師和開發者們前赴后繼，在一次又一次的顛覆式創新中重塑晶體管的結構和應用。如今，智能手機的處理器集成平均100億個晶體管，想必已經遠遠超乎Bardeen、Brattain和Shockley的想象。
本文將回顧晶體管的歷史，探討其未來的發展方向，并分析晶體管基本結構的更新換代，以及最新的Multi-Die系統的應用前景。
1. 晶體管的發明靈感從何而來？
從第一個點接觸型晶體管（圖1）出現后，晶體管已經取得了長足的進步。但在晶體管誕生之前，電子的發現和真空管的發明已經成為了電子技術發展的里程碑。
圖1：點接觸型晶體管示意圖
電子比真空管的出現早10年，又過了40年晶體管才誕生。真空管可在“開”和“關”狀態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，為數字設計和模擬設計奠定了基礎。
真空管有一個玻璃管，里面有一根金屬燈絲，很像電燈泡。它開啟了電子產品的新紀元，推動了臺式收音機和早期計算機的出現，但這些設備都存在體積大、功耗高的缺點。晶體管由一小塊矩形半導體材料（硅或鍺）制成，有助于大幅降低現有設計的功耗，并構建更龐大、更復雜的系統。
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，成為推動晶體管普及的核心驅動力。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中嵌入的IC功不可沒，這是使用真空管無法實現的壯舉。
2. 滿足新興的應用需求
應用在尺寸、性能和功耗方面不斷產生新的需求，推動晶體管不斷發展。如今，復雜架構系統中集成了數十億個晶體管，電子設備因此得以實現微型化，開發者可以打造更高效可靠的設備。
圖2：CMOS晶體管示意圖
應用的發展經歷了三個階段，這也影響著晶體管過去幾十年的發展歷程。
第一階段是縮小通信和計算設備的尺寸，例如小型收音機或計算機，就像阿波羅11號所用的計算機。隨著個人計算機的不斷普及，應用的發展進入第二階段，即提升應用本身的能力：利用計算機等功能強大的創新設備執行新的功能，例如用計算機寫文檔或玩游戲。這一思路也推動了IC的發展。
到了第三階段，IC和晶體管開始用于移動電話、數碼相機、音樂播放器以及集成了所有這些功能的智能手機。這是一個劃時代的突破，堪比2007年的MacWorld Expo，當時史蒂夫·喬布斯發布了史上第一款iPhone，將手機、PC和iPod的功能融為一體。
3. 轉向Multi-Die系統
1960年代后，IC通常使用傳統的平面結構來設計數字電路。之后幾十年，IC逐步向更新的結構過渡：2011年，FinFET（鰭式場效）晶體管（圖3）面世了；預計到2024年，更加優化的GAA（全環繞柵極）晶體管將成為技術推進的主流。它著重于于克服鰭式結構的表面粗糙所帶來的技術限制。
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，開發者還致力于開發新材料、優化設備的功耗并提升計算速度。
單個芯片能容納的晶體管數量是有限的，制造商已經接近這一物理極限，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技術設計，但有些晶體管仍需采用平面架構，以便嵌入1D或2D設備。
Multi-Die系統幫助開發者擴展系統功能，已成為半導體行業的主流，這讓開發團隊擁有了更多工具，更有機會實現簡化的3D集成。
未來的晶體管將趨向高度專用化，這也為團隊帶來了機遇和挑戰。不僅需要確保系統能容納不同類型的晶體管，也要確保系統可以高效運行。其關鍵在于采用以系統為中心的設計思維，自下而上地建構式設計晶體管。
4. 從VR頭盔到飛行器：下一波會是什么？
電路開發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級的應用中，未來的晶體管的選擇都將由專用領域和特定材料來決定。
在這樣的背景下，摩爾定律如何“續命”？新思科技認為，摩爾定律仍將延續，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量？鑒于單位計算方式已經將三維體積和最大橫截面考慮在內，隨著晶體管的尺寸不斷縮小，這或將成為衡量晶體管性能和速度的更好指標。
如今的應用致力于擴展人類感知、觀察、理解世界的能力，虛擬現實（VR）和增強現實（AR）的發展令人興奮。同樣，自動駕駛汽車也在使用各種以集成電路驅動的傳感器、攝像頭以及其他電子系統去提取信息，保證安全行駛。
從最初的單個晶體管到現在龐大的芯片系統，晶體管變得更小、更輕，成本也更低。這帶來了新的機遇，例如協同設計硬件系統及其運行的軟件。
當下再一次掀起的晶體管發明的熱潮，潛力巨大，未來可期。而實現突破的關鍵在于找到一種更好的方法，以系統為中心設計小芯粒，通過更優化的晶體管，從而助力創造更美好的數智未來。
(文章來源： 新思科技)
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