2047年，我們將會(huì)迎來(lái)晶體管問(wèn)世的一百周年。屆時(shí)，晶體管會(huì)是怎樣的呢？會(huì)比今日所扮演的關(guān)鍵計(jì)算元件的角色更重要嗎？在最近的一篇文章中，IEEE Spectrum向世界各地的專(zhuān)家們征詢(xún)了他們的預(yù)測(cè)意見(jiàn)。

IEEE Spectrum （電氣電子工程師協(xié)會(huì)核心刊物）預(yù)測(cè)晶體管未來(lái)的專(zhuān)家人士包括：加布里埃爾 · 洛（Gabriel Loh）、斯里 · 薩馬韋達(dá)姆（Sri Samavedam）、薩耶夫 · 薩拉赫?。⊿ayeef Salahuddin）、理查德 · 舒爾茨（Richard Schultz）、蘇曼 · 達(dá)塔（Suman Datta）、金智杰（Tsu-Jae King Liu）和黃漢森（H.-S. Philip Wong）（見(jiàn)上圖，左起順時(shí)針）。

2047年的晶體管將會(huì)走向何方呢？

一位專(zhuān)家表示，預(yù)計(jì)晶體管將比今日更為多樣化。正如處理器從CPU發(fā)展到包括GPU、網(wǎng)絡(luò)處理器、AI加速器及其它專(zhuān)用計(jì)算芯片一樣，晶體管也將逐步發(fā)展以適應(yīng)各種用途。

斯坦福大學(xué)電氣工程教授，臺(tái)積電前企業(yè)研究副總裁、IEEE Fellow黃漢森（H.-S. Philip Wong）指出：「器件技術(shù)將面向特定應(yīng)用領(lǐng)域，就如計(jì)算架構(gòu)已經(jīng)成為面向應(yīng)用特定領(lǐng)域一般那樣發(fā)展。」

IEEE Fellow、佐治亞理工學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)工程專(zhuān)業(yè)教授Suman Datta指出：「盡管晶體管愈發(fā)多樣，但其基本的工作原理——打開(kāi)和關(guān)閉晶體管場(chǎng)效應(yīng)將可能長(zhǎng)期保持不變?！?/p>

IEEE Fellow、UC伯克利工學(xué)院院長(zhǎng)、英特爾董事會(huì)成員金智杰（Tsu-Jae King Liu）也表示，未來(lái)該元器件的最小臨界尺寸可能為 1nm 或更小，這將會(huì)使晶體管密度達(dá)到每平方厘米10萬(wàn)億個(gè)晶體管。

「可以有把握地推測(cè)，2047年晶體管或交換機(jī)架構(gòu)將早已在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下實(shí)現(xiàn)展示」——斯里 · 薩馬韋達(dá)姆（Sri Samavedam）

專(zhuān)家們似乎都一致認(rèn)為2047年的晶體管將需要更新的材料，且可能還需要一種堆疊的或3D的設(shè)計(jì)架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)規(guī)劃中的互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（CFET或3D堆疊的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS）能力拓展。Datta教授說(shuō)道：「為了進(jìn)一步持續(xù)增加晶體管密度，現(xiàn)今平行于硅平面的晶體管溝道（channel）可能需要垂直設(shè)計(jì)?！?/p>

AMD公司高級(jí)研究員Richard Schultz指出：「開(kāi)發(fā)這些新元器件的主要目的將在于功率優(yōu)化，研究將聚焦于功耗的降低以及先進(jìn)散熱解決方案的提出，其中尤需重點(diǎn)關(guān)注在較低電壓條件下工作的晶體管情況?！?/p>

25年后，晶體管仍會(huì)是大多數(shù)計(jì)算的核心嗎？

計(jì)算不通過(guò)晶體管來(lái)進(jìn)行？很難想象存在這樣一個(gè)世界，但實(shí)際上，真空管也曾經(jīng)是可選的數(shù)字開(kāi)關(guān)。根據(jù)麥肯錫公司的數(shù)據(jù)，不直接依賴(lài)晶體管的量子計(jì)算的創(chuàng)業(yè)融資在 2021 年就已達(dá)到了14億美元。

但電子設(shè)備領(lǐng)域的專(zhuān)家表示，到2047年，量子計(jì)算的發(fā)展仍不足以快速進(jìn)步到能夠挑戰(zhàn)晶體管的地步。IEEE Fellow、UC伯克利電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)專(zhuān)業(yè)教授Sayeef Salahuddin說(shuō)道：「晶體管仍將在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是最重要的計(jì)算元件。目前，即使有了理想的量子計(jì)算機(jī)，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比，其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域似乎仍相當(dāng)有限。」

歐洲芯片研發(fā)中心微電子研究中心（Imec）的CMOS技術(shù)高級(jí)副總裁 Sri Samavedam對(duì)此表示贊同。他說(shuō)道：「對(duì)于大多數(shù)通用計(jì)算應(yīng)用程序而言，晶體管仍將是非常重要的計(jì)算元件，人們不能忽視數(shù)十年來(lái)不斷努力優(yōu)化晶體管所實(shí)現(xiàn)的效率提升。」

2047年的晶體管，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)明出來(lái)了嗎？

25年相當(dāng)漫長(zhǎng)，但在半導(dǎo)體研發(fā)世界里，這一時(shí)間長(zhǎng)度的作用卻十分有限。

Samavedam說(shuō)道：「在半導(dǎo)體行業(yè)里，從概念階段到引入制造階段通常需要大約20年的時(shí)間。」25年前與伯克利學(xué)院同事展示了鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）的金智杰教授（Tsu-Jae King Liu）也深以為然，她說(shuō)道：「即使 2047年晶體管所用材料可能不完全和現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段的一致，但我們還是很有把握去推測(cè)，2047年的晶體管或交換機(jī)架構(gòu)早已在實(shí)驗(yàn)室層面實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)出展示?！?/p>

但是，2047年的晶體管已經(jīng)發(fā)明出來(lái)并存在于某處實(shí)驗(yàn)室中的想法并未得到普遍認(rèn)同。比如說(shuō)，Sayeef Salahuddin教授就認(rèn)為它還沒(méi)有被發(fā)明出來(lái)?！覆贿^(guò)就像20世紀(jì)90年代的鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）一樣，現(xiàn)在可能有人確實(shí)對(duì)未來(lái)晶體管的幾何結(jié)構(gòu)做出了合理的預(yù)測(cè)，」他如此說(shuō)道。

AMD公司的Schultz表示，大家可以在現(xiàn)今提議的由2D半導(dǎo)體或碳基半導(dǎo)體制成的3D堆疊元件中瞥見(jiàn)這種結(jié)構(gòu)。他補(bǔ)充道：「尚未發(fā)明的元器件材料也可能在此時(shí)間范圍內(nèi)面世?！?/p>

2047年，硅是否仍將是大多數(shù)晶體管的活躍成分？

專(zhuān)家們表示，大多數(shù)元器件的核心，即晶體管溝道區(qū)域，仍將使用硅材料，抑或可能是早已在研究中取得一定突破的硅 - 鍺材料或鍺材料。然而，在2047年，許多芯片可能會(huì)使用現(xiàn)今被認(rèn)為奇特的半導(dǎo)體，包括諸如氧化銦鎵鋅在內(nèi)的氧化物半導(dǎo)體、 金屬二硫族化物二硫化鎢等二維（2D）半導(dǎo)體以及碳納米管等一維半導(dǎo)體。微電子研究中心（Imec） 的 Samavedam 指出，這些奇特的半導(dǎo)體甚至?xí)恰钙渌写l(fā)明的東西」。

「晶體管仍將是最重要的計(jì)算元件」——薩耶夫 · 薩拉赫丁（Sayeef Salahuddin）

AMD高級(jí)研究員、 IEEE Fellow Gabriel Loh 指出，硅基芯片可能會(huì)與依賴(lài)更新材料制成的芯片集成在同一封裝中，就如同處理器制造商如今將使用不同硅制造技術(shù)的芯片集成到同一封裝中一樣。

哪種半導(dǎo)體材料將會(huì)成為半導(dǎo)體的核心元件甚至都可能不會(huì)是2047年的核心問(wèn)題。Salahuddin表示：「半導(dǎo)體溝道材料的選擇本質(zhì)上取決于它是否可以同構(gòu)成晶體管的諸多其它材料最為兼容。」對(duì)于將多種材料同硅材集成在一起，目前人們知之甚多。

在2047年，晶體管將會(huì)普及在哪些今日尚未滲透的領(lǐng)域呢？

它將隨處可見(jiàn)。這絕非玩笑，而是非常認(rèn)真的論點(diǎn)。專(zhuān)家們確實(shí)希望一些智能和傳感元件可以滲透到我們生活的方方面面。這意味著這些元器件將出現(xiàn)在以下場(chǎng)景中：

附著在我們的身體上并植入體內(nèi)；

嵌入各種基礎(chǔ)設(shè)施，包括道路、墻壁和房屋；

織進(jìn)我們的衣物中；

粘在我們的食物上；

在麥田里隨風(fēng)搖曳；

在每條供應(yīng)鏈中密切關(guān)注每一個(gè)環(huán)節(jié)；

在超乎人們想象的場(chǎng)景中幫助做許多其他的事情。

斯坦福大學(xué)黃漢森（Wong）總結(jié)到：「晶體管將會(huì)出現(xiàn)在所有需要計(jì)算、命令控制、通信、數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)分析、智能、傳感驅(qū)動(dòng)、與人類(lèi)進(jìn)行交互，或進(jìn)入虛擬和混合現(xiàn)實(shí)世界門(mén)戶(hù)的方方面面?！?/p>

審核編輯 ：李倩