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晶体管的六十年:从摇滚时代到铪

51cto.com  NEO丨2007-12-17 18:05 标签:大数据 混合云 数据保护 云存储 服务器虚拟化 

贝尔实验室 60 年前研制出的那款晶体管。几乎我们今天使用的所有电子设备离开晶体管都将无法生存。

晶体管是微处理器的主要组件,也是我们今天许多产品的必备元件,如电视、汽车、收音机、医疗设备、家用电器、计算机,甚至宇宙飞船等。

首款晶体管收音机内置有四个晶体管,英特尔研制出的第一款计算机芯片——俗称电脑的“大脑”,仅内置 2,300 个晶体管,而英特尔于 2007 年 11 月发布的最新基于 45 纳米生产工艺的芯片则包含 8.2 亿个晶体管。

晶体管历经巨变的60年
晶体管——微型开关

晶体管(微型引擎)就像一个微型的“通断开关”,支持计算机进行信息处理,从而将我们带入数字时代。

那么铸就今日辉煌成功的秘诀是什么呢?每新一代晶体管都会继续变得更小、更快、更高效。英特尔工程师最近在其芯片公式和生产工艺中引入新材料,以推出基于采用英特尔革命性 45 纳米电路(如此小,以致于一个人体血细胞中可以放置 300 个这样的晶体管)的英特尔® 酷睿™ 微体系架构的全新处理器,并将这种材料引入高 k 金属栅极晶体管公式来提供突破性的速度与能效。 

下一步会怎么办?英特尔将继续推动技术创新,推出超乎我们想象的、能够改变我们生活、工作、娱乐和通信方式的产品。

接通或断开

1947 年最后的两个月中,晶体管的发明很可能是 20 世纪最重要的发明。当然,它对 20 世纪和 21 世纪日常生活的影响怎么估计都不为过。电子人士都亲切地称呼它“ bug”,它的首次使用是在音频信号的扩大中。也正因此,上世纪 50 年代的第一款便携式无线装置被更普遍地称为晶体管收音机。但从长远来看,晶体管最重要的应用是作为集成电路(IC)(更普遍地称为芯片)中的开关。

晶体管历经巨变的60年
50 年代的第一款晶体管收音机

正是其微型开关的角色,使得芯片中可以放置数亿个晶体管,而芯片也得以成为人们日常使用的电子设备的心脏,这些电子设备有电脑、笔记本电脑和服务器、移动电话、微波、汽车,简直举不胜举。相比第一款晶体管收音机中放置 4 个晶体管,如今英特尔于 2007 年 11 月 12 日发布的全新处理器中的晶体管数量已经达到 8.2 亿个。任何芯片离开晶体管都无法工作,任何计算机离开晶体管也将无法工作,致使晶体管过去 60 年中在技术进步中发挥着不可或缺的作用。

更有趣的是,实质上晶体管并不比普通的电灯开关做得工作多的多:“接通”或“断开”。晶体管的接通状态标记为 “1”,断开状态标记为“0”。大量晶体管将产生 1 和 0 供计算机用来计算、处理文本、播放 DVD 和显示图像。

晶体管的发明要归功于贝尔实验室的三位同事:John Bardeen、Walter Brattain 和 William Shockley,他们也因为此项发明于 1956 年被授予诺贝尔化学奖。晶体管的名字是由贝尔电话实验室研究员 John R. Pierce 想出的。1948 年 5 月,也就是此项发明随后六七个月的时间里,他赢得实验室关于此项发明最易记名字的投票。单词晶体管是“跨导”(导电)和“可变电阻器”或“变阻器”的合成词。

摇滚

Bardeen 和 Brattain 于1947 年成功研制出第一款点接触晶体管(point-contact transistor),其中晶体管中的电流沿半导体表面传输。然后,晶体管将流经它的电信号扩大。在晶体管使用的初期,其主要应用就是以比采用当时更大更笨重的真空管更有效的方式来扩大电信号。

为了加速晶体管的发展,贝尔实验室决定按许可提供晶体管技术。包括 IBM 和通用电气在内的 26 家公司购买了许可,每个许可价值 25,000 美元。但是如果晶体管技术想要成功销售,将需要吸引大众的目光。多亏晶体管收音机,这一梦想才得以实现。第一个晶体管收音机于 1954 年 10 月推出,内含 4 个晶体管。现在的便携式收音机意味着处处都可以享受音乐和获取信息——即使在有辨识能力的成年人听力范围之外。正是收音机的便携性,催生了一场新的音乐革命——摇滚。

集成电路

50 年代末,晶体管在收音机、电话和计算机中得以应用,尽管它们比真空管小很多,但是如果要生产出新一代家电设备,它们还需要继续缩小。因此,就需要第二项发明来处理单个晶体管庞大的二进制计算能力,同时又能够以日渐降低的成本进行批量生产。

1958 年,Jack Kilby(Texas Instruments)和 Robert Noyce(Fairchild Semiconductor,随后联合创立英特尔)发现一个集成电路(IC 或芯片)中可以容纳大量晶体管。相比当时各个组件必须人工组装的情形,这真是迈出巨大的一步。

晶体管历经巨变的60年
45纳米工艺的四核处理器已能容纳8亿个晶体管

芯片有两个优势:较低的成本和更高的性能。这些均是指数级小型化的结果,这同样还为生产工艺注入很大的动力。 1965 年,于1968 年和 Noyce 联合创立芯片巨人英特尔的戈登·摩尔在一篇杂志文章上做出了预言,这便是后来广为人知的“摩尔定律”。摩尔定律预测,芯片上晶体管的数量每两年就会翻一番,这将促进处理能力的大幅提升。如何将更多微小的元器件高度集成在很小的面积上,就成为了影响芯片突破性进步的决定性因素。

芯片制造商 40 多年来一直保持这一指数级增长。英特尔于 1971 年推出的首款计算机芯片内包含 2,300 个晶体管。1989 年推出的 i486 具有 1,200,000 个晶体管,2000 年推出的奔腾的晶体管数量已经达到 4200 万。而英特尔最新的 45 纳米芯片则内置 8.2 亿个晶体管。 

与原子共舞

摩尔定律也多次被预言要终止。根据定义,没有任何指数是永远存在的,尽管芯片制造商始终在寻找各种手段来力争“永远”。去年九月,戈登·摩尔预测,这一定律还会再持续至少 10 到 15 年——这期间,新的挑战还不断产生,可能会导致摩尔定律终止前行的脚步。但是有很长一段时间,似乎计算机世界最著名的定律难以挺进 21 世纪。

为保持摩尔定律所述的呈指数级增长,晶体管的体积大约每 24 个月就需要缩小一半。这一小型化战争使晶体管的其中一个关键部件达到极限:即栅极和通道(当晶体管打开时电流流经该通道)之间的绝缘层——二氧化硅(SiO2)。每新一代芯片中该绝缘层的厚度都在不断减小——直到前两代产品,其厚度只有 1.2 纳米 也就是 5 个原子厚。英特尔工程师简直一个原子也无法再缩减了。

随着绝缘层越来越薄,便引发了漏电率问题。它就像一个滴水龙头:绝缘层开始将电流漏到晶体管。这就导致晶体管行为异常,浪费掉很多能源。结果就是:芯片用掉越来越多的电流,从而产生额外的热量。

根本限制

漏电的晶体管是半导体行业面临的最大挑战:若不是取得重大突破,他们会发现自己仍在同长期预期的根本限制作斗争。这不仅意味着摩尔定律的终止,它还有可能使过去十年的数字革命嘎然停止。每 24 个月性能就翻一番的计算机芯片也只能成为历史了。

通过加厚绝缘层,我们找到了这一危机的解决方案。只有采用不同的材料做绝缘层才能解决这个问题——包含额外原子。2007 年 1 月,英特尔宣布,四十年来首次采用铪代替二氧化硅作绝缘层,铪是一种银灰色的金属,它具有较好的电子特性,并可将漏电率降低 10%。戈登·摩尔自己也将此次突破称为“自上世纪六十年代以来晶体管技术最重要的变革”。

然而,这一突破也仅仅是该解决方案的一半。新材料原来与晶体管的另一个重要部件——栅极不兼容。更糟的是,采用新绝缘材料的第一批晶体管效率甚至比原先的晶体管还要低。答案同样在于采用一种新的栅极材料:一种独特、专有的金属组合,英特尔将其作为一个严加保守的秘密。 

2007 年 11 月 12 日,英特尔推出了采用这些新材料,并基于 45 纳米生产工艺的新一代芯片。相比原先的 65 纳米生产工艺,这一更纤巧的生产工艺支持英特尔将同一表面上晶体管的数量增加近一倍,从而支持公司在增加晶体管总数或者制造更纤巧的芯片之间进行选择。由于 45 纳米晶体管比前一代晶体管更加小巧,因而其接通和断开所需的能源也降低达 30%。结果就是:英特尔的新一代 45 纳米芯片不但开创了新的性能记录,还实现了能耗降低方面的一次重大突破。

晶体管历经巨变的60年
晶体管技术的不断提升已经让处理器越来越强大

过去几十年来,晶体管和芯片以更低的成本提供了更高的处理能力。事实证明,这是实现世界经济自动化的终极引擎。然而,芯片和计算机的发展道路仍然十分漫长。多年来,计算机已发展成为人类各种命令的出色执行者。它可以打印信函,发送电子邮件,处理电子数据表中的计算杂务以及播放电影等。在未来,计算机将成为人们的顾问;它将学习我们的行为并相应地进行自我调整。这一发展方向的初步试验步骤可在以消费者为中心的网站,例如 Amazon 和 iTunes 上看到。它们根据消费者自身的购买行为,就其它购买向消费者提供了各种建议。

摩尔定律所带来的更高处理能力还能够使人类解决当前造成重大影响的各种问题:气候、(遗传性)疾病、经济的医疗护理,以及阐释遗传学的种种神秘现象等。五年前,当前研究此类问题的方式和速度还不可想象。此类应用能够改变生活并拯救生命。计算机和芯片的处理能力越强大,这些对于人类如此重要的研究领域的成果就越值得关注。摩尔定律未来十年的延续将非常令人期待。

【责任编辑:常疆 TEL:(010)68476606】

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