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75年前晶體管被發(fā)明，不久之后集成電路（IC）也被發(fā)明出來(lái)。使晶體管更小的進(jìn)步也導(dǎo)致它們變得更便宜，這被稱為摩爾定律。當(dāng)今復(fù)雜的處理器芯片包含超過(guò)1000億個(gè)晶體管，但縮小尺寸的步伐已經(jīng)放緩，它不再是提高特定應(yīng)用性能的唯一甚至主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。摩爾定律如何繼續(xù)前進(jìn)？。

今日，Science官方以“75 years of transistors”為特刊，發(fā)表了4篇關(guān)于晶體管的報(bào)道，且被選為今日的封面。

介紹到：最初于1959年9月9日在法國(guó)巴黎凡爾賽門(mén)展覽中心舉行的第21屆廣播電視展上展出，75年前晶體管的發(fā)明激發(fā)了影響通信、計(jì)算、控制系統(tǒng)、儀器儀表和其他技術(shù)的創(chuàng)新。今天，新晶體管技術(shù)在許多方面仍在繼續(xù)發(fā)展。

盡管摩爾定律預(yù)測(cè)了每個(gè)晶體管成本的下降速度，但它通常以晶體管尺寸來(lái)看，對(duì)于二維（2D）芯片陣列，晶體管尺寸轉(zhuǎn)化為面尺寸。在過(guò)去的75年里，隨著足跡從微米級(jí)減少到納米級(jí)，新制造技術(shù)的問(wèn)題多次引發(fā)了對(duì)“摩爾定律終結(jié)”的擔(dān)憂。二十年前，對(duì)于開(kāi)發(fā)幾種難以繼續(xù)擴(kuò)展的技術(shù)，人們普遍持悲觀態(tài)度。在這種情況下，其中一位作者預(yù)測(cè)，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）在所謂的65納米節(jié)點(diǎn)以下的縮放速度不會(huì)減慢，在達(dá)到縮放極限之前，將持續(xù)至少十年。

圖1. 二維（2D）納米電子學(xué)、三維（3D）積分和功能集成都可以擴(kuò)展摩爾定律，但都面臨著巨大的挑戰(zhàn)和基本限制

計(jì)算的目標(biāo)不是每秒操作數(shù)，而是每秒信息數(shù)。在這方面，生物學(xué)提供了指導(dǎo)。人類(lèi)的感官在將信息轉(zhuǎn)發(fā)到大腦之前在本地處理信息。在本地內(nèi)存和數(shù)據(jù)處理（邊緣分析）的支持下，為連接模擬世界的邊緣傳感器賦能，可以防止數(shù)據(jù)洪流淹沒(méi)計(jì)算機(jī)。

圖2. CNT晶體管具有廣泛的潛在應(yīng)用

其中半導(dǎo)體碳納米管是具有納米級(jí)直徑的堅(jiān)固分子，可用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管，從較大的薄膜實(shí)現(xiàn)到與硅電子器件配合使用的器件，并有可能用作高性能數(shù)字電子以及射頻和傳感應(yīng)用的平臺(tái)。對(duì)半導(dǎo)體碳納米管的廣泛興趣也激發(fā)了對(duì)其他納米材料的密集和持續(xù)探索，包括半導(dǎo)體納米線，2D石墨烯，過(guò)渡金屬硫族化合物和Xenes。盡管納米材料選擇越來(lái)越多，但碳納米管在提供穩(wěn)定性、帶隙以及卓越的電學(xué)和熱性能方面脫穎而出，這是其他候選材料無(wú)法比擬的。

圖3. CMOS晶體管密度和開(kāi)關(guān)能量的進(jìn)展

在80年代后期，從雙極到互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）晶體管技術(shù)進(jìn)行了廣泛的設(shè)計(jì)過(guò)渡。CMOS自60年代以來(lái)一直在開(kāi)發(fā)中，并受到日本制造商的青睞，為電力挑戰(zhàn)提供了急需的緩解。與雙極晶體管不同，CMOS技術(shù)的互補(bǔ)上拉和下拉晶體管配置在穩(wěn)定的邏輯狀態(tài)下消耗的待機(jī)功率可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗鼉H在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間耗散功率。

電子產(chǎn)品正處于拐點(diǎn)。75年來(lái)，使晶體管更小成為可能，但這不會(huì)成為未來(lái)幾十年進(jìn)步的動(dòng)力。如果摩爾定律被理解為指每個(gè)集成系統(tǒng)（不一定是每個(gè)芯片）的晶體管數(shù)量不斷增加，那么摩爾定律的終結(jié)就看不到了。晶體管數(shù)量的增加不會(huì)通過(guò)使它們更小來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)垂直堆疊或?qū)⑺鼈儥M向組合在復(fù)雜的封裝中，最終形成單片3D芯片并增加功能。

從納米電子學(xué)（專(zhuān)注于減小晶體管尺寸）到太兆級(jí)電子學(xué)（由晶體管數(shù)量和相關(guān)功能的增加驅(qū)動(dòng)）的轉(zhuǎn)變定義了未來(lái)的范式轉(zhuǎn)變和核心研究挑戰(zhàn)。這將需要在材料、設(shè)備、加工以及人類(lèi)有史以來(lái)最復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造方面取得根本性的進(jìn)步?？傆幸惶欤姎馑淼篮蜔崞款i將定義3D集成的極限。在那之前，摩爾定律可能會(huì)繼續(xù)下去。

https://doi.org/10.1126/science.ade2191
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add2713
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp8278
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade7656

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