晶體管的六十年：從搖滾時(shí)代到鉿
貝爾實(shí)驗(yàn)室 60 年前研制出的那款晶體管。幾乎我們今天使用的所有電子設(shè)備離開(kāi)晶體管都將無(wú)法生存……
正是其微型開(kāi)關(guān)的角色，使得芯片中可以放置數(shù)億個(gè)晶體管，而芯片也得以成為人們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娮釉O(shè)備的心臟，這些電子設(shè)備有電腦、筆記本電腦和服務(wù)器、移動(dòng)電話(huà)、微波、汽車(chē)，簡(jiǎn)直舉不勝舉。相比第一款晶體管收音機(jī)中放置 4 個(gè)晶體管，如今英特爾于 2007 年 11 月 12 日發(fā)布的全新處理器中的晶體管數(shù)量已經(jīng)達(dá)到 8.2 億個(gè)。任何芯片離開(kāi)晶體管都無(wú)法工作，任何計(jì)算機(jī)離開(kāi)晶體管也將無(wú)法工作，致使晶體管過(guò)去 60 年中在技術(shù)進(jìn)步中發(fā)揮著不可或缺的作用。
更有趣的是，實(shí)質(zhì)上晶體管并不比普通的電燈開(kāi)關(guān)做得工作多的多：“接通”或“斷開(kāi)”。晶體管的接通狀態(tài)標(biāo)記為 “1”，斷開(kāi)狀態(tài)標(biāo)記為“0”。大量晶體管將產(chǎn)生 1 和 0 供計(jì)算機(jī)用來(lái)計(jì)算、處理文本、播放 DVD 和顯示圖像。
晶體管的發(fā)明要?dú)w功于貝爾實(shí)驗(yàn)室的三位同事：John Bardeen、Walter Brattain 和 William Shockley，他們也因?yàn)榇隧?xiàng)發(fā)明于 1956 年被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。晶體管的名字是由貝爾電話(huà)實(shí)驗(yàn)室研究員 John R. Pierce 想出的。1948 年 5 月，也就是此項(xiàng)發(fā)明隨后六七個(gè)月的時(shí)間里，他贏(yíng)得實(shí)驗(yàn)室關(guān)于此項(xiàng)發(fā)明最易記名字的投票。單詞晶體管是“跨導(dǎo)”(導(dǎo)電)和“可變電阻器”或“變阻器”的合成詞。
搖滾
Bardeen 和 Brattain 于1947 年成功研制出第一款點(diǎn)接觸晶體管(point-contact transistor)，其中晶體管中的電流沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏敗Ｈ缓?，晶體管將流經(jīng)它的電信號(hào)擴(kuò)大。在晶體管使用的初期，其主要應(yīng)用就是以比采用當(dāng)時(shí)更大更笨重的真空管更有效的方式來(lái)擴(kuò)大電信號(hào)。
為了加速晶體管的發(fā)展，貝爾實(shí)驗(yàn)室決定按許可提供晶體管技術(shù)。包括 IBM 和通用電氣在內(nèi)的 26 家公司購(gòu)買(mǎi)了許可，每個(gè)許可價(jià)值 25,000 美元。但是如果晶體管技術(shù)想要成功銷(xiāo)售，將需要吸引大眾的目光。多虧晶體管收音機(jī)，這一夢(mèng)想才得以實(shí)現(xiàn)。第一個(gè)晶體管收音機(jī)于 1954 年 10 月推出，內(nèi)含 4 個(gè)晶體管?，F(xiàn)在的便攜式收音機(jī)意味著處處都可以享受音樂(lè)和獲取信息——即使在有辨識(shí)能力的成年人聽(tīng)力范圍之外。正是收音機(jī)的便攜性，催生了一場(chǎng)新的音樂(lè)革命——搖滾。
50 年代末，晶體管在收音機(jī)、電話(huà)和計(jì)算機(jī)中得以應(yīng)用，盡管它們比真空管小很多，但是如果要生產(chǎn)出新一代家電設(shè)備，它們還需要繼續(xù)縮小。因此，就需要第二項(xiàng)發(fā)明來(lái)處理單個(gè)晶體管龐大的二進(jìn)制計(jì)算能力，同時(shí)又能夠以日漸降低的成本進(jìn)行批量生產(chǎn)。
1958 年，Jack Kilby(Texas Instruments)和 Robert Noyce(Fairchild Semiconductor，隨后聯(lián)合創(chuàng)立英特爾)發(fā)現(xiàn)一個(gè)集成電路(IC 或芯片)中可以容納大量晶體管。相比當(dāng)時(shí)各個(gè)組件必須人工組裝的情形，這真是邁出巨大的一步。
正是其微型開(kāi)關(guān)的角色，使得芯片中可以放置數(shù)億個(gè)晶體管，而芯片也得以成為人們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娮釉O(shè)備的心臟，這些電子設(shè)備有電腦、筆記本電腦和服務(wù)器、移動(dòng)電話(huà)、微波、汽車(chē)，簡(jiǎn)直舉不勝舉。相比第一款晶體管收音機(jī)中放置 4 個(gè)晶體管，如今英特爾于 2007 年 11 月 12 日發(fā)布的全新處理器中的晶體管數(shù)量已經(jīng)達(dá)到 8.2 億個(gè)。任何芯片離開(kāi)晶體管都無(wú)法工作，任何計(jì)算機(jī)離開(kāi)晶體管也將無(wú)法工作，致使晶體管過(guò)去 60 年中在技術(shù)進(jìn)步中發(fā)揮著不可或缺的作用。
更有趣的是，實(shí)質(zhì)上晶體管并不比普通的電燈開(kāi)關(guān)做得工作多的多：“接通”或“斷開(kāi)”。晶體管的接通狀態(tài)標(biāo)記為 “1”，斷開(kāi)狀態(tài)標(biāo)記為“0”。大量晶體管將產(chǎn)生 1 和 0 供計(jì)算機(jī)用來(lái)計(jì)算、處理文本、播放 DVD 和顯示圖像。
晶體管的發(fā)明要?dú)w功于貝爾實(shí)驗(yàn)室的三位同事：John Bardeen、Walter Brattain 和 William Shockley，他們也因?yàn)榇隧?xiàng)發(fā)明于 1956 年被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。晶體管的名字是由貝爾電話(huà)實(shí)驗(yàn)室研究員 John R. Pierce 想出的。1948 年 5 月，也就是此項(xiàng)發(fā)明隨后六七個(gè)月的時(shí)間里，他贏(yíng)得實(shí)驗(yàn)室關(guān)于此項(xiàng)發(fā)明最易記名字的投票。單詞晶體管是“跨導(dǎo)”(導(dǎo)電)和“可變電阻器”或“變阻器”的合成詞。
與原子共舞
摩爾定律也多次被預(yù)言要終止。根據(jù)定義，沒(méi)有任何指數(shù)是永遠(yuǎn)存在的，盡管芯片制造商始終在尋找各種手段來(lái)力爭(zhēng)“永遠(yuǎn)”。去年九月，戈登·摩爾預(yù)測(cè)，這一定律還會(huì)再持續(xù)至少 10 到 15 年——這期間，新的挑戰(zhàn)還不斷產(chǎn)生，可能會(huì)導(dǎo)致摩爾定律終止前行的腳步。但是有很長(zhǎng)一段時(shí)間，似乎計(jì)算機(jī)世界最著名的定律難以挺進(jìn) 21 世紀(jì)。
為保持摩爾定律所述的呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，晶體管的體積大約每 24 個(gè)月就需要縮小一半。這一小型化戰(zhàn)爭(zhēng)使晶體管的其中一個(gè)關(guān)鍵部件達(dá)到極限：即柵極和通道(當(dāng)晶體管打開(kāi)時(shí)電流流經(jīng)該通道)之間的絕緣層——二氧化硅(SiO2)。每新一代芯片中該絕緣層的厚度都在不斷減小——直到前兩代產(chǎn)品，其厚度只有 1.2 納米 也就是 5 個(gè)原子厚。英特爾工程師簡(jiǎn)直一個(gè)原子也無(wú)法再縮減了。
隨著絕緣層越來(lái)越薄，便引發(fā)了漏電率問(wèn)題。它就像一個(gè)滴水龍頭：絕緣層開(kāi)始將電流漏到晶體管。這就導(dǎo)致晶體管行為異常，浪費(fèi)掉很多能源。結(jié)果就是：芯片用掉越來(lái)越多的電流，從而產(chǎn)生額外的熱量。
根本限制
漏電的晶體管是半導(dǎo)體行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)：若不是取得重大突破，他們會(huì)發(fā)現(xiàn)自己仍在同長(zhǎng)期預(yù)期的根本限制作斗爭(zhēng)。這不僅意味著摩爾定律的終止，它還有可能使過(guò)去十年的數(shù)字革命嘎然停止。每 24 個(gè)月性能就翻一番的計(jì)算機(jī)芯片也只能成為歷史了。
通過(guò)加厚絕緣層，我們找到了這一危機(jī)的解決方案。只有采用不同的材料做絕緣層才能解決這個(gè)問(wèn)題——包含額外原子。2007 年 1 月，英特爾宣布，四十年來(lái)首次采用鉿代替二氧化硅作絕緣層，鉿是一種銀灰色的金屬，它具有較好的電子特性，并可將漏電率降低 10%。戈登·摩爾自己也將此次突破稱(chēng)為“自上世紀(jì)六十年代以來(lái)晶體管技術(shù)最重要的變革”。
然而，這一突破也僅僅是該解決方案的一半。新材料原來(lái)與晶體管的另一個(gè)重要部件——柵極不兼容。更糟的是，采用新絕緣材料的第一批晶體管效率甚至比原先的晶體管還要低。答案同樣在于采用一種新的柵極材料：一種獨(dú)特、專(zhuān)有的金屬組合，英特爾將其作為一個(gè)嚴(yán)加保守的秘密。
2007 年 11 月 12 日，英特爾推出了采用這些新材料，并基于 45 納米生產(chǎn)工藝的新一代芯片。相比原先的 65 納米生產(chǎn)工藝，這一更纖巧的生產(chǎn)工藝支持英特爾將同一表面上晶體管的數(shù)量增加近一倍，從而支持公司在增加晶體管總數(shù)或者制造更纖巧的芯片之間進(jìn)行選擇。由于 45 納米晶體管比前一代晶體管更加小巧，因而其接通和斷開(kāi)所需的能源也降低達(dá) 30%。結(jié)果就是：英特爾的新一代 45 納米芯片不但開(kāi)創(chuàng)了新的性能記錄，還實(shí)現(xiàn)了能耗降低方面的一次重大突破。
晶體管技術(shù)的不斷提升已經(jīng)讓處理器越來(lái)越強(qiáng)大
過(guò)去幾十年來(lái),晶體管和芯片以更低的成本提供了更高的處理能力。事實(shí)證明，這是實(shí)現(xiàn)世界經(jīng)濟(jì)自動(dòng)化的終極引擎。然而，芯片和計(jì)算機(jī)的發(fā)展道路仍然十分漫長(zhǎng)。多年來(lái)，計(jì)算機(jī)已發(fā)展成為人類(lèi)各種命令的出色執(zhí)行者。它可以打印信函，發(fā)送電子郵件，處理電子數(shù)據(jù)表中的計(jì)算雜務(wù)以及播放電影等。在未來(lái)，計(jì)算機(jī)將成為人們的顧問(wèn);它將學(xué)習(xí)我們的行為并相應(yīng)地進(jìn)行自我調(diào)整。這一發(fā)展方向的初步試驗(yàn)步驟可在以消費(fèi)者為中心的網(wǎng)站，例如 Amazon 和 iTunes 上看到。它們根據(jù)消費(fèi)者自身的購(gòu)買(mǎi)行為，就其它購(gòu)買(mǎi)向消費(fèi)者提供了各種建議。
摩爾定律所帶來(lái)的更高處理能力還能夠使人類(lèi)解決當(dāng)前造成重大影響的各種問(wèn)題：氣候、(遺傳性)疾病、經(jīng)濟(jì)的醫(yī)療護(hù)理，以及闡釋遺傳學(xué)的種種神秘現(xiàn)象等。五年前，當(dāng)前研究此類(lèi)問(wèn)題的方式和速度還不可想象。此類(lèi)應(yīng)用能夠改變生活并拯救生命。計(jì)算機(jī)和芯片的處理能力越強(qiáng)大，這些對(duì)于人類(lèi)如此重要的研究領(lǐng)域的成果就越值得關(guān)注。摩爾定律未來(lái)十年的延續(xù)將非常令人期待
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