2047年，我們將會迎來晶體管問世的一百周年。屆時，晶體管會是怎樣的呢？會比今日所扮演的關鍵計算元件的角色更重要嗎？在最近的一篇文章中，IEEE Spectrum向世界各地的專家們征詢了他們的預測意見。

IEEE Spectrum （電氣電子工程師協會核心刊物）預測晶體管未來的專家人士包括：加布里埃爾 · 洛（Gabriel Loh）、斯里 · 薩馬韋達姆（Sri Samavedam）、薩耶夫 · 薩拉赫丁（Sayeef Salahuddin）、理查德 · 舒爾茨（Richard Schultz）、蘇曼 · 達塔（Suman Datta）、金智杰（Tsu-Jae King Liu）和黃漢森（H.-S. Philip Wong）（見上圖，左起順時針）。

2047年的晶體管將會走向何方呢？

一位專家表示，預計晶體管將比今日更為多樣化。正如處理器從CPU發展到包括GPU、網絡處理器、AI加速器及其它專用計算芯片一樣，晶體管也將逐步發展以適應各種用途。

斯坦福大學電氣工程教授，臺積電前企業研究副總裁、IEEE Fellow黃漢森（H.-S. Philip Wong）指出：「器件技術將面向特定應用領域，就如計算架構已經成為面向應用特定領域一般那樣發展。」

IEEE Fellow、佐治亞理工學院電子與計算機工程專業教授Suman Datta指出：「盡管晶體管愈發多樣，但其基本的工作原理——打開和關閉晶體管場效應將可能長期保持不變。」

IEEE Fellow、UC伯克利工學院院長、英特爾董事會成員金智杰（Tsu-Jae King Liu）也表示，未來該元器件的最小臨界尺寸可能為 1nm 或更小，這將會使晶體管密度達到每平方厘米10萬億個晶體管。

「可以有把握地推測，2047年晶體管或交換機架構將早已在實驗室規模下實現展示」——斯里 · 薩馬韋達姆（Sri Samavedam）

專家們似乎都一致認為2047年的晶體管將需要更新的材料，且可能還需要一種堆疊的或3D的設計架構以實現規劃中的互補場效應晶體管（CFET或3D堆疊的互補金屬氧化物半導體CMOS）能力拓展。Datta教授說道：「為了進一步持續增加晶體管密度，現今平行于硅平面的晶體管溝道（channel）可能需要垂直設計。」

AMD公司高級研究員Richard Schultz指出：「開發這些新元器件的主要目的將在于功率優化，研究將聚焦于功耗的降低以及先進散熱解決方案的提出，其中尤需重點關注在較低電壓條件下工作的晶體管情況。」

25年后，晶體管仍會是大多數計算的核心嗎？

計算不通過晶體管來進行？很難想象存在這樣一個世界，但實際上，真空管也曾經是可選的數字開關。根據麥肯錫公司的數據，不直接依賴晶體管的量子計算的創業融資在 2021 年就已達到了14億美元。

但電子設備領域的專家表示，到2047年，量子計算的發展仍不足以快速進步到能夠挑戰晶體管的地步。IEEE Fellow、UC伯克利電子工程與計算機科學專業教授Sayeef Salahuddin說道：「晶體管仍將在很長時間內是最重要的計算元件。目前，即使有了理想的量子計算機，與經典計算機相比，其潛在的應用領域似乎仍相當有限。」

歐洲芯片研發中心微電子研究中心（Imec）的CMOS技術高級副總裁 Sri Samavedam對此表示贊同。他說道：「對于大多數通用計算應用程序而言，晶體管仍將是非常重要的計算元件，人們不能忽視數十年來不斷努力優化晶體管所實現的效率提升。」

2047年的晶體管，現在已經發明出來了嗎？

25年相當漫長，但在半導體研發世界里，這一時間長度的作用卻十分有限。

Samavedam說道：「在半導體行業里，從概念階段到引入制造階段通常需要大約20年的時間。」25年前與伯克利學院同事展示了鰭式場效應晶體管（FinFET）的金智杰教授（Tsu-Jae King Liu）也深以為然，她說道：「即使 2047年晶體管所用材料可能不完全和現在設計階段的一致，但我們還是很有把握去推測，2047年的晶體管或交換機架構早已在實驗室層面實現了產出展示。」

但是，2047年的晶體管已經發明出來并存在于某處實驗室中的想法并未得到普遍認同。比如說，Sayeef Salahuddin教授就認為它還沒有被發明出來。「不過就像20世紀90年代的鰭式場效應晶體管（FinFET）一樣，現在可能有人確實對未來晶體管的幾何結構做出了合理的預測，」他如此說道。

AMD公司的Schultz表示，大家可以在現今提議的由2D半導體或碳基半導體制成的3D堆疊元件中瞥見這種結構。他補充道：「尚未發明的元器件材料也可能在此時間范圍內面世。」

2047年，硅是否仍將是大多數晶體管的活躍成分？

專家們表示，大多數元器件的核心，即晶體管溝道區域，仍將使用硅材料，抑或可能是早已在研究中取得一定突破的硅 - 鍺材料或鍺材料。然而，在2047年，許多芯片可能會使用現今被認為奇特的半導體，包括諸如氧化銦鎵鋅在內的氧化物半導體、 金屬二硫族化物二硫化鎢等二維（2D）半導體以及碳納米管等一維半導體。微電子研究中心（Imec） 的 Samavedam 指出，這些奇特的半導體甚至會是「其他有待發明的東西」。

「晶體管仍將是最重要的計算元件」——薩耶夫 · 薩拉赫丁（Sayeef Salahuddin）

AMD高級研究員、 IEEE Fellow Gabriel Loh 指出，硅基芯片可能會與依賴更新材料制成的芯片集成在同一封裝中，就如同處理器制造商如今將使用不同硅制造技術的芯片集成到同一封裝中一樣。

哪種半導體材料將會成為半導體的核心元件甚至都可能不會是2047年的核心問題。Salahuddin表示：「半導體溝道材料的選擇本質上取決于它是否可以同構成晶體管的諸多其它材料最為兼容。」對于將多種材料同硅材集成在一起，目前人們知之甚多。

在2047年，晶體管將會普及在哪些今日尚未滲透的領域呢？

它將隨處可見。這絕非玩笑，而是非常認真的論點。專家們確實希望一些智能和傳感元件可以滲透到我們生活的方方面面。這意味著這些元器件將出現在以下場景中：

附著在我們的身體上并植入體內；

嵌入各種基礎設施，包括道路、墻壁和房屋；

織進我們的衣物中；

粘在我們的食物上；

在麥田里隨風搖曳；

在每條供應鏈中密切關注每一個環節；

在超乎人們想象的場景中幫助做許多其他的事情。

斯坦福大學黃漢森（Wong）總結到：「晶體管將會出現在所有需要計算、命令控制、通信、數據收集、存儲分析、智能、傳感驅動、與人類進行交互，或進入虛擬和混合現實世界門戶的方方面面。」

審核編輯 ：李倩