未来的晶体管长啥样？

2047年是晶体管发明100周年，届时晶体管会是什么样子？它们甚至会成为今天的关键计算元素吗？IEEE Spectrum向世界各地的专家询问了他们的预测。

一位专家表示，预计晶体管会比现在更加多样化。正如处理器从 CPU 发展到包括 GPU、网络处理器、AI 加速器和其他专用计算芯片一样，晶体管也将发展以适应各种用途。“设备技术将变得特定于应用领域，就像计算架构已经成为特定于应用领域一样。” IEEE Fellow，前台积电企业研究副总裁，斯坦福大学电气工程教授Philip Wong说。

IEEE 院士、佐治亚理工学院电气与计算机教授、多所大学纳米技术研究所所长Suman Datta 表示，尽管种类繁多，但基本的工作原理——打开和关闭晶体管的场效应——可能会保持不变研究中心上升。“该设备的最小临界尺寸可能为 1 纳米或更小，使设备密度达到每平方厘米 10 万亿个。”IEEE 研究员、英特尔董事会成员，加州大学伯克利分校工程学院院长Tsu-Jae King Liu说。

专家们似乎同意，2047 年的晶体管将需要新材料，可能还需要一种堆叠或 3D 架构，以扩展计划中的互补场效应晶体管（CFET，或 3D 堆叠 CMOS）。Datta 表示，现在平行于硅平面的晶体管沟道可能需要变得垂直，以继续增加密度.

AMD 高级研究员Richard Schultz表示，开发这些新设备的主要目标将是功耗。“重点将放在降低功耗和对先进冷却解决方案的需求上，”他说。“需要重点关注在较低电压下工作的设备。”

晶体管在 25 年后仍将是大多数计算的核心吗？

很难想象一个计算不是用晶体管完成的世界，但是，当然，真空管曾经是首选的数字开关。根据麦肯锡公司的数据，不直接依赖晶体管的量子计算的启动资金在 2021 年达到了 14 亿美元。

但电子设备专家表示，到 2047 年，量子计算的进步速度不足以挑战晶体管。“晶体管仍将是最重要的计算元件，”IEEE 院士、加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授Sayeef Salahuddin说。“目前，即使有了理想的量子计算机，与经典计算机相比，潜在的应用领域似乎也相当有限。”

欧洲芯片研发中心 Imec 的 CMOS 技术高级副总裁Sri Samavedam对此表示赞同。“对于大多数通用计算应用程序而言，晶体管仍将是非常重要的计算元件，”Samavedam 说。“人们不能忽视数十年来不断优化晶体管所实现的效率。”

2047的晶体管已经发明了吗？

二十五年是很长的时间，但在半导体研发的世界里，它并没有那么长。“在这个行业，从 [展示一个概念] 到引入制造通常需要大约 20 年的时间，”Samavedam 说。“可以安全地假设 2047 的晶体管或开关架构已经在实验室规模上进行了演示”，即使所涉及的材料不会完全相同。大约 25 年前与伯克利的同事展示了现代 FinFET 的 King Liu对此表示赞同。

但是，2047 年的晶体管已经在某处实验室中的想法并未得到普遍认同。Salahuddin也认为它还没有被发明出来。“但就像 1990 年代的 FinFET 一样，有可能对未来晶体管的几何结构做出合理的预测，”他说。

AMD 的 Schultz 说，你可以在提议的由 2D 半导体或碳基半导体制成的 3D 堆叠设备中瞥见这种结构。“尚未发明的设备材料也可能在这个时间范围内，”他补充道。

到 2047 年，硅仍将是大多数晶体管的活跃部分吗？

专家表示，大多数设备的核心，即晶体管沟道区域，仍将是硅，或者可能是硅锗（已经取得进展）或锗。但在 2047 年，许多芯片可能会使用今天被认为奇特的半导体。这些可能包括氧化物半导体，如氧化铟镓锌；二维半导体，如金属二硫族化物二硫化钨；和一维半导体，例如碳纳米管。Imec 的 Samavedam 说，甚至是“还有待发明的其他技术”。

AMD 高级研究员、IEEE 研究员 Gabriel Loh 指出，硅基芯片可能会与依赖更新材料的芯片集成在同一封装中，就像处理器制造商如今将使用不同硅制造技术的芯片集成到同一封装中一样。

哪种半导体材料是设备的核心可能甚至不是 2047 年的核心问题。“沟道材料的选择基本上取决于哪种材料与构成设备其他部分的许多其他材料最兼容，”Salahuddin说。我们对将材料与硅集成非常了解。

到 2047 年，晶体管将在哪些地方普及，而这些地方现在还没有？

到处。不，认真的。专家们确实希望一定程度的智能和感知能够渗透到我们生活的方方面面。这意味着设备将附着在我们的身体上并植入体内；嵌入各种基础设施，包括道路、墙壁和房屋；织进我们的衣服；坚持我们的食物；在麦田里随风摇曳；关注每条供应链中的每一步；并在尚未有人想到的地方做许多其他事情。

晶体管将“无处不在，需要计算、命令和控制、通信、数据收集、存储和分析、智能、传感和驱动、与人类的交互，或者进入虚拟和混合现实世界的门户，”斯坦福大学的 Wong 总结道。

编辑：黄飞