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摩尔定律75年,Science连发4篇专刊!

2022-11-19
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75年前晶体管被发明,不久之后集成电路(IC)也被发明出来。使晶体管更小的进步也导致它们变得更便宜,这被称为摩尔定律。当今复杂的处理器芯片包含超过1000亿个晶体管,但缩小尺寸的步伐已经放缓,它不再是提高特定应用性能的唯一甚至主要设计目标。摩尔定律如何继续前进?


今日,Science官方以“75 years of transistors”为特刊,发表了4篇关于晶体管的报道,且被选为今日的封面。

介绍到:最初于1959年9月9日在法国巴黎凡尔赛门展览中心举行的第21届广播电视展上展出,75年前晶体管的发明激发了影响通信、计算、控制系统、仪器仪表和其他技术的创新。今天,新晶体管技术在许多方面仍在继续发展。

尽管摩尔定律预测了每个晶体管成本的下降速度,但它通常以晶体管尺寸来看,对于二维(2D)芯片阵列,晶体管尺寸转化为面尺寸。在过去的75年里,随着足迹从微米级减少到纳米级,新制造技术的问题多次引发了对“摩尔定律终结”的担忧。二十年前,对于开发几种难以继续扩展的技术,人们普遍持悲观态度。在这种情况下,其中一位作者预测,金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在所谓的65纳米节点以下的缩放速度不会减慢,在达到缩放极限之前,将持续至少十年。

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图1. 二维(2D)纳米电子学、三维(3D)积分和功能集成都可以扩展摩尔定律,但都面临着巨大的挑战和基本限制


计算的目标不是每秒操作数,而是每秒信息数。在这方面,生物学提供了指导。人类的感官在将信息转发到大脑之前在本地处理信息。在本地内存和数据处理(边缘分析)的支持下,为连接模拟世界的边缘传感器赋能,可以防止数据洪流淹没计算机。


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图2. CNT晶体管具有广泛的潜在应用


其中半导体碳纳米管是具有纳米级直径的坚固分子,可用于场效应晶体管,从较大的薄膜实现到与硅电子器件配合使用的器件,并有可能用作高性能数字电子以及射频和传感应用的平台。对半导体碳纳米管的广泛兴趣也激发了对其他纳米材料的密集和持续探索,包括半导体纳米线,2D石墨烯,过渡金属硫族化合物和Xenes。尽管纳米材料选择越来越多,但碳纳米管在提供稳定性、带隙以及卓越的电学和热性能方面脱颖而出,这是其他候选材料无法比拟的。


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图3. CMOS晶体管密度和开关能量的进展


在80年代后期,从双极到互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管技术进行了广泛的设计过渡。CMOS自60年代以来一直在开发中,并受到日本制造商的青睐,为电力挑战提供了急需的缓解。与双极晶体管不同,CMOS技术的互补上拉和下拉晶体管配置在稳定的逻辑状态下消耗的待机功率可以忽略不计,因为它仅在状态转换期间耗散功率。


电子产品正处于拐点。75年来,使晶体管更小成为可能,但这不会成为未来几十年进步的动力。如果摩尔定律被理解为指每个集成系统(不一定是每个芯片)的晶体管数量不断增加,那么摩尔定律的终结就看不到了。晶体管数量的增加不会通过使它们更小来实现,而是通过垂直堆叠或将它们横向组合在复杂的封装中,最终形成单片3D芯片并增加功能。


从纳米电子学(专注于减小晶体管尺寸)到太兆级电子学(由晶体管数量和相关功能的增加驱动)的转变定义了未来的范式转变和核心研究挑战。这将需要在材料、设备、加工以及人类有史以来最复杂系统的设计和制造方面取得根本性的进步。总有一天,电气隧道和热瓶颈将定义3D集成的极限。在那之前,摩尔定律可能会继续下去。


  1. https://doi.org/10.1126/science.ade2191
  2. https://www.science.org/doi/10.1126/science.add2713
  3. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp8278
  4. https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade7656


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