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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@@@@188足彩外围@@app 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@@？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@@