单颗芯片容纳1万亿个晶体管？我们的世界是否还需要更好的晶体管?

晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、晶闸管等。晶体管具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能，晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能。1947年12月16日,威廉·邵克雷(William Shockley)、约翰·巴顿(John Bardeen)和沃特·布拉顿(Walter Brattain)成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。晶体管是现代电器的最关键的元件之一。晶体管之所以能够大规模使用是因为它能以极低的单位成本被大规模生产。

1947年12月，人类第一代半导体放大器件在贝尔实验室诞生，其发明者肖克利及其研究小组成员将这一器件命名为晶体管。就是这一小小的晶体管，在此后的75年不断改写世界，与此同时，晶体管本身的发展也进入瓶颈，摩尔定律放缓。

晶体管诞生的第75年，还可以用哪些方法延续摩尔定律?

晶体管的诞生据说是创造了第一个组装晶体管，称为“点接触晶体管”。图片由诺基亚贝尔实验室提供

根据 Brattain 的笔记，发明“点接触晶体管”的突破时刻是在 12 月 16 日。但据说是在 1947 年 12 月 23 日下午，Brattain 和 HR Moore 为公司的经理和同事进行了演示。而那个日期通常被称为晶体管的诞生日。

在本文中，我们汇总了一些关于电路的重要文章，这些文章讲述了晶体管的历史故事。

两次诺贝尔奖获得者和晶体管的联合发明人：约翰巴丁

他可能不是一个家喻户晓的名字，但约翰·巴丁是电子史上最重要的工程师之一。

1958 年，Bardeen 因晶体管的发明而首次获得诺贝尔奖，并与他在贝尔实验室的同事 威廉·肖克利(William Shockley)和 沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)分享了这一奖项。

后来，在 1972 年，他再次获奖，这次是与 Leon Cooper 和 John Schrieffer 分享超导理论。

胡正明在演讲中给出了肯定的回答，“是的，我们需要新的晶体管”，并给出了三个理由:

第一，随着晶体管的改进，人类掌握了从未想象到的新能力，例如计算和高速通信、互联网、智能手机、内存和存储、计算机技术、人工智能，可以想象的是，未来还会有其他新技术涌现出来;

第二，晶体管广泛的应用正在改变所有技术、工业和科学，同时半导体技术的演进不想其他技术一样受到其材料和能源使用的限制，IC使用相对较少的材料就可以生产，并且正在变得越来越小，使用的材料也越来越少，IC本身也在变得更快更高效;

第三，理论而言，信息处理所需的能量依然可以减少到今天所需能量的千分之一以下，虽然我们可能还不知道如何达到这种理论效率，但我们知道这在理论上可行，而其他大部分技术的能源效率已经达到理论极限。

“我相信晶体管现在是，并将继续是应对全球变暖的关键，气候变化可能会给社会、经济和个人带来巨变，因此我们需要更强大的工具来应对这种变化。“胡正明说道。

但是，任何基于 chiplet 的设计的首要目标是在利用基于 chiplet 的方法的经济效益的同时，保留单芯片单片处理器内部数据路径的功耗和性能(延迟、带宽)的最佳属性，例如采用前沿工艺制造良率更高的chiplet，使用较旧、较便宜的节点来实现密度改进较小的其他一些功能的能力。

在不久之前，我们曾披露，复旦大学微电子学院的周鹏教授，包文中研究员及信息科学与工程学院的万景研究员，创新地提出了硅基二维异质集成叠层晶体管技术。

该技术利用成熟的后端工艺将新型二维材料集成在硅基芯片上，并利用两者高度匹配的物理特性，成功实现 4 英寸大规模三维异质集成互补场效应晶体管。

该技术成果的文章发表在 nature electronics，并受到大家广泛关注。在这里，我们把文章全文翻译，供大家参考。

大规模集成电路的特征尺寸缩小依赖于新型材料、器件架构和工艺流程的持续创新，大数据和即时数据的传输逐渐成为信息技术发展的主要趋势。

目前已经提出了诸如鳍型场效应晶体管(FinFET)、全栅(GAA)以及垂直堆叠的叉片和 CFET 器件等巧妙的器件架构，缩小晶体管的尺寸可增加集成密度并提高性能。其中，CFET 架构(PMOS 和 NMOS 器件垂直堆叠并由同一公共栅极控制)已被证明可以减少 42-50% 的面积，性能提高 7%，与传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)器件相比，成本降低了 12%10。