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晶体管75年巨变:从点接触到量子隧道和算法来生成
2022年11月28日    

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【产通社,11月28日讯】在过去的75年里,晶体管技术最明显的变化就是我们能制造多少。缩小设备的尺寸是一项巨大的努力,也是一项非常成功的努力。但是尺寸并不是工程师们改进的唯一特征。

甚至当1948年第一批晶体管上市的最初销售收入被统计时,下一代晶体管已经被发明出来了。从那以后,工程师们一次又一次地重新发明了晶体管,从凝聚态物理中寻找任何可能将小信号转化为大信号的东西。

1947年,只有一个晶体管。根据TechInsight的预测,今年半导体行业将生产近20亿万亿(1021)个器件。这比2017年之前所有年份制造的晶体管总和还要多。在这个几乎难以想象的数字背后,是晶体管价格的持续下降,因为工程师们已经学会将越来越多的晶体管集成到同一个硅片区域。

缩小矽平面的2D空间中的晶体管,已经取得了巨大的成功。自1971年以来,逻辑电路中的晶体管密度已经增加了60多万倍。缩小晶体管尺寸需要使用更短波长的光,如极紫外光,以及其他光刻技术来缩小晶体管栅极之间以及金属互连之间的空间。展望未来,这是第三个维度,晶体管将一个接一个地构建,这才是最重要的。这种趋势在闪存中已经有十多年的历史了,但对于逻辑来说仍然是未来的趋势,并将摩尔定律提升到新的高度。

也许所有这些努力的最高成就是将数百万甚至数十亿个晶体管集成到这个星球上最复杂的系统中的能力——CPU。除了让它们变得又小又多,工程师们还致力于提高设备的其他品质。以下是晶体管在过去75年中的一小部分变化。

短暂

伊利诺伊州的研究人员利用超薄硅膜、镁导体和氧化镁绝缘体的组合,开发出了溶于体内的电路。在水里呆五分钟就足以让第一代变成糊状。但最近,研究人员使用了一种更耐用的版本来制造临时心脏起搏器,当它们消失时,会释放一种抗炎药物。

快速

第一个晶体管是为无线电频率制造的,但现在有一些设备的工作频率是无线电频率的十亿倍。韩国和日本的工程师报告了铟镓砷高电子迁移率晶体管(HEMT)的发明,其最高频率达到了738千兆赫。为了寻求原始速度,诺斯罗普·格鲁曼公司的工程师制造了一台通过1兆兆赫的HEMT。

扁平

今天(和昨天)的晶体管依赖于块状(3D)材料的半导体特性。未来的器件可能依赖于2D半导体,如二硫化钼和二硫化钨。研究人员说,这些晶体管可能内置于处理器硅片上方的互连层中。因此,2D半导体公司可能有助于3D处理器的发展。

灵活

世界不是平的,晶体管需要工作的地方也不是平的。最近,韩国的工程师们利用砷化铟镓,在塑料上制造出了高性能逻辑晶体管,当弯曲半径仅为4毫米时,这种晶体管几乎不会受到影响。伊利诺伊州和英格兰的工程师们已经制造出既便宜又可弯曲的微控制器。

不可见

当你需要在众目睽睽之下隐藏你的计算时,转向透明晶体管。中国福州的研究人员最近使用有机半导体薄膜晶体管制作了一种透明的闪存模拟物。日本和马来西亚的研究人员制造了能够承受1000伏以上电压的透明钻石装置。

助记符

NAND闪存单元可以在单个器件备中存储多个位。今天市场上的那些每个存储3或4位。Kioxia Corp .的研究人员制造了一种改良的NAND闪存单元,并将其浸泡在77开尔文的液氮中。单个超冷晶体管可以存储多达7位数据,或128个不同的值。

强硬

一些晶体管可以接受来自外星的惩罚。美国宇航局格伦研究中心建造了200个晶体管碳化硅集成电路,并在模拟金星表面环境的小室中运行了60天——460摄氏度的高温,行星探测器粉碎的9.3兆帕压力,以及地狱般的行星腐蚀性大气。

基础

2018年,加拿大的工程师们使用一种算法来生成所有可能的独特和功能性基本电路,这些电路只需使用两个金属氧化物场效应晶体管即可制成。电路总数达到惊人的582个。将范围扩大到三个晶体管,就形成了56,280个电路,包括几个以前工程上不知道的放大器。查询进一步信息,请访问官方网站http://spectrum.ieee.org/transistor-density。(张怡,产通发布)    
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