晶體管的六十年：從搖滾時代到鉿

貝爾實驗室 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)備離開晶體管都將無法生存……
正是其微型開關(guān)的角色，使得芯片中可以放置數(shù)億個晶體管，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、移動電話、微波、汽車，簡直舉不勝舉。相比第一款晶體管收音機中放置 4 個晶體管，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)達到 8.2 億個。任何芯片離開晶體管都無法工作，任何計算機離開晶體管也將無法工作，致使晶體管過去 60 年中在技術(shù)進步中發(fā)揮著不可或缺的作用。

　　更有趣的是，實質(zhì)上晶體管并不比普通的電燈開關(guān)做得工作多的多：“接通”或“斷開”。晶體管的接通狀態(tài)標記為 “1”，斷開狀態(tài)標記為“0”。大量晶體管將產(chǎn)生 1 和 0 供計算機用來計算、處理文本、播放 DVD 和顯示圖像。

　　晶體管的發(fā)明要歸功于貝爾實驗室的三位同事：John Bardeen、Walter Brattain 和 William Shockley，他們也因為此項發(fā)明于 1956 年被授予諾貝爾化學獎。晶體管的名字是由貝爾電話實驗室研究員 John R. Pierce 想出的。1948 年 5 月，也就是此項發(fā)明隨后六七個月的時間里，他贏得實驗室關(guān)于此項發(fā)明最易記名字的投票。單詞晶體管是“跨導”(導電)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接觸晶體管(point-contact transistor)，其中晶體管中的電流沿半導體表面?zhèn)鬏?。然后，晶體管將流經(jīng)它的電信號擴大。在晶體管使用的初期，其主要應(yīng)用就是以比采用當時更大更笨重的真空管更有效的方式來擴大電信號。

　　為了加速晶體管的發(fā)展，貝爾實驗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 家公司購買了許可，每個許可價值 25,000 美元。但是如果晶體管技術(shù)想要成功銷售，將需要吸引大眾的目光。多虧晶體管收音機，這一夢想才得以實現(xiàn)。第一個晶體管收音機于 1954 年 10 月推出，內(nèi)含 4 個晶體管。現(xiàn)在的便攜式收音機意味著處處都可以享受音樂和獲取信息——即使在有辨識能力的成年人聽力范圍之外。正是收音機的便攜性，催生了一場新的音樂革命——搖滾。

　　集成電路

　　50 年代末，晶體管在收音機、電話和計算機中得以應(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，就需要第二項發(fā)明來處理單個晶體管龐大的二進制計算能力，同時又能夠以日漸降低的成本進行批量生產(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)一個集成電路(IC 或芯片)中可以容納大量晶體管。相比當時各個組件必須人工組裝的情形，這真是邁出巨大的一步。

正是其微型開關(guān)的角色，使得芯片中可以放置數(shù)億個晶體管，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、移動電話、微波、汽車，簡直舉不勝舉。相比第一款晶體管收音機中放置 4 個晶體管，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)達到 8.2 億個。任何芯片離開晶體管都無法工作，任何計算機離開晶體管也將無法工作，致使晶體管過去 60 年中在技術(shù)進步中發(fā)揮著不可或缺的作用。

　　更有趣的是，實質(zhì)上晶體管并不比普通的電燈開關(guān)做得工作多的多：“接通”或“斷開”。晶體管的接通狀態(tài)標記為 “1”，斷開狀態(tài)標記為“0”。大量晶體管將產(chǎn)生 1 和 0 供計算機用來計算、處理文本、播放 DVD 和顯示圖像。

　　晶體管的發(fā)明要歸功于貝爾實驗室的三位同事：John Bardeen、Walter Brattain 和 William Shockley，他們也因為此項發(fā)明于 1956 年被授予諾貝爾化學獎。晶體管的名字是由貝爾電話實驗室研究員 John R. Pierce 想出的。1948 年 5 月，也就是此項發(fā)明隨后六七個月的時間里，他贏得實驗室關(guān)于此項發(fā)明最易記名字的投票。單詞晶體管是“跨導”(導電)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，沒有任何指數(shù)是永遠存在的，盡管芯片制造商始終在尋找各種手段來力爭“永遠”。去年九月，戈登·摩爾預(yù)測，這一定律還會再持續(xù)至少 10 到 15 年——這期間，新的挑戰(zhàn)還不斷產(chǎn)生，可能會導致摩爾定律終止前行的腳步。但是有很長一段時間，似乎計算機世界最著名的定律難以挺進 21 世紀。

　　為保持摩爾定律所述的呈指數(shù)級增長，晶體管的體積大約每 24 個月就需要縮小一半。這一小型化戰(zhàn)爭使晶體管的其中一個關(guān)鍵部件達到極限：即柵極和通道(當晶體管打開時電流流經(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 個原子厚。英特爾工程師簡直一個原子也無法再縮減了。

　　隨著絕緣層越來越薄，便引發(fā)了漏電率問題。它就像一個滴水龍頭：絕緣層開始將電流漏到晶體管。這就導致晶體管行為異常，浪費掉很多能源。結(jié)果就是：芯片用掉越來越多的電流，從而產(chǎn)生額外的熱量。

　　根本限制

　　漏電的晶體管是半導體行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)：若不是取得重大突破，他們會發(fā)現(xiàn)自己仍在同長期預(yù)期的根本限制作斗爭。這不僅意味著摩爾定律的終止，它還有可能使過去十年的數(shù)字革命嘎然停止。每 24 個月性能就翻一番的計算機芯片也只能成為歷史了。

　　通過加厚絕緣層，我們找到了這一危機的解決方案。只有采用不同的材料做絕緣層才能解決這個問題——包含額外原子。2007 年 1 月，英特爾宣布，四十年來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為“自上世紀六十年代以來晶體管技術(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。新材料原來與晶體管的另一個重要部件——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：一種獨特、專有的金屬組合，英特爾將其作為一個嚴加保守的秘密。

　　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，因而其接通和斷開所需的能源也降低達 30%。結(jié)果就是：英特爾的新一代 45 納米芯片不但開創(chuàng)了新的性能記錄，還實現(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)讓處理器越來越強大
過去幾十年來,晶體管和芯片以更低的成本提供了更高的處理能力。事實證明，這是實現(xiàn)世界經(jīng)濟自動化的終極引擎。然而，芯片和計算機的發(fā)展道路仍然十分漫長。多年來，計算機已發(fā)展成為人類各種命令的出色執(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)表中的計算雜務(wù)以及播放電影等。在未來，計算機將成為人們的顧問;它將學習我們的行為并相應(yīng)地進行自我調(diào)整。這一發(fā)展方向的初步試驗步驟可在以消費者為中心的網(wǎng)站，例如 Amazon 和 iTunes 上看到。它們根據(jù)消費者自身的購買行為，就其它購買向消費者提供了各種建議。

　　摩爾定律所帶來的更高處理能力還能夠使人類解決當前造成重大影響的各種問題：氣候、(遺傳性)疾病、經(jīng)濟的醫(yī)療護理，以及闡釋遺傳學的種種神秘現(xiàn)象等。五年前，當前研究此類問題的方式和速度還不可想象。此類應(yīng)用能夠改變生活并拯救生命。計算機和芯片的處理能力越強大，這些對于人類如此重要的研究領(lǐng)域的成果就越值得關(guān)注。摩爾定律未來十年的延續(xù)將非常令人期待

?