1947年12月，人類第一代半導(dǎo)體放大器件在貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生，其發(fā)明者肖克利及其研究小組成員將這一器件命名為晶體管。就是這一小小的晶體管，在此后的75年不斷改寫世界，與此同時(shí)，晶體管本身的發(fā)展也進(jìn)入瓶頸，摩爾定律放緩。
晶體管誕生的第75年，還可以用哪些方法延續(xù)摩爾定律？
2022年，我們依然需要新的晶體管
為了紀(jì)念晶體管被發(fā)明75周年，IEEE（電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）電子器件分會(huì)（E lectron Device Society ）組織了一場(chǎng)活動(dòng)，在此活動(dòng)上有Fin-FET的發(fā)明者胡正明教授對(duì)晶體管的過(guò)去進(jìn)行回顧，也有諸如英特爾這樣的行業(yè)領(lǐng)先者分享在延續(xù)摩爾定律上做出的技術(shù)創(chuàng)新。
我們的世界是否還需要更好的晶體管？
胡正明在演講中給出了肯定的回答，“是的，我們需要新的晶體管”，并給出了三個(gè)理由:
第一，隨著晶體管的改進(jìn)，人類掌握了從未想象到的新能力，例如計(jì)算和高速通信、互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)、內(nèi)存和存儲(chǔ)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能，可以想象的是，未來(lái)還會(huì)有其他新技術(shù)涌現(xiàn)出來(lái)；
第二，晶體管廣泛的應(yīng)用正在改變所有技術(shù)、工業(yè)和科學(xué)，同時(shí)半導(dǎo)體技術(shù)的演進(jìn)不想其他技術(shù)一樣受到其材料和能源使用的限制，IC使用相對(duì)較少的材料就可以生產(chǎn)，并且正在變得越來(lái)越小，使用的材料也越來(lái)越少，IC本身也在變得更快更高效；
第三，理論而言，信息處理所需的能量依然可以減少到今天所需能量的千分之一以下，雖然我們可能還不知道如何達(dá)到這種理論效率，但我們知道這在理論上可行，而其他大部分技術(shù)的能源效率已經(jīng)達(dá)到理論極限。
“我相信晶體管現(xiàn)在是，并將繼續(xù)是應(yīng)對(duì)全球變暖的關(guān)鍵，氣候變化可能會(huì)給社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和個(gè)人帶來(lái)巨變，因此我們需要更強(qiáng)大的工具來(lái)應(yīng)對(duì)這種變化?！昂髡f(shuō)道。
2030年，單顆芯片可容納1萬(wàn)億個(gè)晶體管
需要新的晶體管是事實(shí)，但研發(fā)制造出新的晶體管已經(jīng)舉步維艱，無(wú)論是在經(jīng)濟(jì)上還是在技術(shù)上，都遇到了新的困難。
晶體管技術(shù)的發(fā)展道路本就是不平坦的，幾乎每隔一段時(shí)間都有巨大的挑戰(zhàn)需要應(yīng)對(duì)。
1980年前后，芯片動(dòng)態(tài)功耗成為大問(wèn)題，采用CMOS取代NMOS和雙極技術(shù)之后，將工作電壓從5伏降低到1伏，帶來(lái)了巨大的進(jìn)步；
2000年至2010年，芯片的靜態(tài)功耗再次成為挑戰(zhàn)，按照當(dāng)時(shí)研究人員的預(yù)測(cè)，每平方厘米IC產(chǎn)生的熱量很快就會(huì)達(dá)到核反應(yīng)堆堆芯的熱量，不過(guò)后來(lái)3D Fin-FET以及多核處理器架構(gòu)解決了這一問(wèn)題，晶體管的發(fā)展又進(jìn)入了相對(duì)平穩(wěn)的發(fā)展時(shí)期。
發(fā)展到現(xiàn)在，F(xiàn)in-FET的進(jìn)步能夠帶來(lái)的性能提升和功耗降低又越來(lái)越有限，業(yè)界正在采用一種新的3D CMOS結(jié)構(gòu)的環(huán)柵（GAA）制造新的晶體管，英特爾就是其中一員。
不久前，英特爾為了進(jìn)一步縮小晶體管的三維尺寸，用RibbonFET的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了GAA，但是發(fā)現(xiàn)源極和漏極之間的距離進(jìn)一步縮小的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較明顯的短溝道效應(yīng)而漏電。
如果將傳統(tǒng)的通道材料硅材料換成非硅的新材料，就能改善這種情況。學(xué)術(shù)界也有了一些相關(guān)的研究，使用一種名為過(guò)渡金屬硫化物的材料作為通道材料，這種材料只有三個(gè)原子的厚度，電子流動(dòng)性好，作為通道材料有天然優(yōu)勢(shì)。
在這種2D材料方面，針對(duì)這種材料，英特爾也做了很多研究和分析，并在會(huì)議上展示了一種全環(huán)繞柵極堆疊式納米片結(jié)構(gòu)，使用了厚度僅三個(gè)原子的2D通道材料，同時(shí)在室溫下實(shí)現(xiàn)了近似理想的低漏電流雙柵極結(jié)構(gòu)晶體管開關(guān)。
除此之外，3D封裝技術(shù)也能進(jìn)一步提升單個(gè)設(shè)備中晶體管的數(shù)目。
英特爾在3D封裝方面也取得了新進(jìn)展，與IEDM 2021上公布的成果相比，英特爾IEDM 2022上展示的最新混合鍵合研究將功率密度和性能又提升了10倍。
另外，通過(guò)混合鍵合技術(shù)將互連間距繼續(xù)微縮到3微米，英特爾實(shí)現(xiàn)了與單片式系統(tǒng)級(jí)芯片（system-on-chip）連接相似的互連密度和帶寬。加上將多芯片互連的工藝?yán)镄枰牟牧蠐Q成無(wú)機(jī)材料，以便于與封裝廠多種工藝要求兼容。
雖然進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)晶體管的微縮是一件需要耗費(fèi)巨大財(cái)力和人力的事情，但依然有像英特爾這樣的企業(yè)在持續(xù)投入研發(fā)，并對(duì)晶體管的未來(lái)抱有期望。
英特爾認(rèn)為，從2023年到2030年，單個(gè)設(shè)備中晶體管的數(shù)目將翻10倍，即從1千億個(gè)晶體管到1千萬(wàn)個(gè)晶體管。
要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，需要英特爾等業(yè)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)持續(xù)投入研發(fā)，嘗試更多可行的技術(shù)。
不知當(dāng)一顆芯片中就可以容納1萬(wàn)億個(gè)晶體管的時(shí)候，我們的世界又會(huì)變成什么樣子？