晶體管誕生100周年時會是什么樣？

2047年將迎來晶體管發明100周年。那時的晶體管會是什么樣子？它們還會像今天這樣依然是關鍵計算元素嗎？本文邀請專家進行了預測。

2047年的晶體管會是什么樣子？

一位研究人員說，預計晶體管會比現在更加多樣化。正如處理器從中央處理器（CPU）發展到包括圖形處理器（GPU）、網絡處理器、人工智能加速器和其他專用計算芯片一樣，晶體管也將發展到滿足各種用途。“就像計算架構已具有特定應用領域針對性一樣，設備技術也將以同樣方式變得有特定應用領域針對性。”IEEE會士、斯坦福大學電氣工程教授、臺積電前企業研究副總裁黃漢森說。 IEEE會士、佐治亞理工學院電氣和計算機工程教授兼多所大學納米技術聯合研究中心ASCENT主任蘇曼?達塔（Suman Datta）認為，盡管種類繁多，但其基本工作原理（開關晶體管的場效應）很可能保持不變。IEEE會士、加州大學伯克利分校工程學院院長兼英特爾董事會成員金智潔表示，這種裝置的最小臨界尺寸可能不到1納米，能夠實現每平方厘米10萬億的裝置密度。 專家們似乎都認為，2047年的晶體管將需要新材料，而且可能需要堆疊或具備3D架構，并在規劃的互補場效應晶體管（CFET）或3D堆疊互補金屬氧化物半導體（CMOS）上進行擴展。（關于CFET的更多信息，請參見本期雜志《將摩爾定律推向新高度》一文。）達塔說，為了繼續提高密度，現在與硅平面平行的晶體管溝道可能需要變成垂直的。 美國超威半導體公司（AMD）高級研究員理查德?舒爾茨（Richard Schultz）表示，功耗將是開發這些新裝置的主要目標。“重點將放在降低功耗和對先進冷卻解決方案的需求上。”他說，“還需要重點關注在較低電壓下工作的裝置。”

晶體管還會是大多數計算的核心嗎？

雖然很難想象一個沒有晶體管的世界，但真空管也曾是數字開關的首選。麥肯錫公司的數據表明，2021年，量子計算的啟動資金達到14億美元，而量子計算并不直接依賴晶體管。 不過電子設備專家表示，到2047年，量子計算的發展速度還不足以挑戰晶體管的地位。“晶體管仍將是最重要的計算元件。”IEEE會士、加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學教授薩耶夫?薩拉赫丁（Sayeef Salahuddin）說，“目前，與經典計算機相比，即使是理想的量子計算機，其可能的應用領域也似乎相當有限。” 歐洲芯片研發中心（Imec）負責CMOS技術的高級副總裁斯里?薩瑪達姆（Sri Samavedam）對此表示贊同。“對于大多數通用計算應用來說，晶體管仍將是非常重要的計算元件。”他說，“我們不能忽視幾十年來晶體管不斷優化所實現的效率。”

2047年的晶體管是否已被發明出來？

雖然25年不短，但在半導體研發領域，這也并不算長。（參見本期的《晶體管終極時間軸》。）“在這個行業，（從概念演示）到引入制造通常需要20年左右。”薩瑪達姆說，“我們可以有把握地設想2047年的晶體管或開關架構已經在實驗室范圍進行了演示。”即使所涉及的材料不完全相同。金智潔對此表示贊同，大約25年前，她與伯克利的同事一起演示了現代FinFET技術。 不過，2047年的晶體管已經在某個實驗室存在的看法并沒有得到普遍認同。例如，薩拉赫丁認為它還沒有被發明出來。他說，“但就像20世紀90年代的鰭式場效應晶體管（FinFET）一樣”，對未來晶體管的“幾何結構做出合理預測是可能的”。 AMD的舒爾茨表示，我們可以在2D半導體或碳基半導體制成的擬3D堆疊裝置中看到這種結構。“尚未發明的裝置材料也可能在這個時間框架內出現。”他補充道。

到2047年，硅還會是大多數晶體管的有效部分嗎？

專家表示，大多數裝置的核心（晶體管溝道區）仍將是硅，也可能是硅鍺（已經取得進展）或鍺。但到2047年，許多芯片可能會使用現在看似新奇的半導體。Imec 的薩瑪達姆說，可能包括氧化物半導體，如銦鎵鋅氧化物；2D半導體，如金屬二硫化物二硫化鎢；一維半導體，如碳納米管；甚至是“其他尚未發明的物質”。 IEEE會士、AMD高級研究員加布里埃爾?洛（Gabriel Loh）指出，硅基芯片可能會與依靠新材料的芯片集成在同一個封裝中，就像今天的處理器制造商使用不同硅制造技術將多塊芯片集成在同一個封裝中一樣。 到2047年，哪種半導體材料會是半導體的核心甚至可能不是關鍵問題。“溝道材料的選擇基本上取決于哪種材料能與構成器件其他部分的多種材料最為兼容。”薩拉赫丁說。我們對將硅與其他材料的集成非常了解。

未來，晶體管會在哪些如今還沒有應用的領域得到普及？

認真地說，無處不在。專家確實希望一定數量的智能和感知能夠滲透到我們生活的方方面面。這意味著晶體管將附著在我們的身體上甚至植入體內；嵌入各種基礎設施，如道路、墻壁和房屋；織進我們的衣服；粘在我們的食物上；在糧田的微風中搖曳；監視每條供應鏈的每一步；在我們還沒有想到的地方完成許多其他事宜。 斯坦福大學的黃漢森教授總結道：“晶體管將出現在任何需要計算、命令和控制、通信、數據收集、存儲和分析、智能、傳感和驅動、與人類交互的地方，或者出現在虛擬和混合現實世界的入口。”

審核編輯 ：李倩