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75年前晶體管被發明，不久之后集成電路（IC）也被發明出來。使晶體管更小的進步也導致它們變得更便宜，這被稱為摩爾定律。當今復雜的處理器芯片包含超過1000億個晶體管，但縮小尺寸的步伐已經放緩，它不再是提高特定應用性能的唯一甚至主要設計目標。摩爾定律如何繼續前進？。

今日，Science官方以“75 years of transistors”為特刊，發表了4篇關于晶體管的報道，且被選為今日的封面。

介紹到：最初于1959年9月9日在法國巴黎凡爾賽門展覽中心舉行的第21屆廣播電視展上展出，75年前晶體管的發明激發了影響通信、計算、控制系統、儀器儀表和其他技術的創新。今天，新晶體管技術在許多方面仍在繼續發展。

盡管摩爾定律預測了每個晶體管成本的下降速度，但它通常以晶體管尺寸來看，對于二維（2D）芯片陣列，晶體管尺寸轉化為面尺寸。在過去的75年里，隨著足跡從微米級減少到納米級，新制造技術的問題多次引發了對“摩爾定律終結”的擔憂。二十年前，對于開發幾種難以繼續擴展的技術，人們普遍持悲觀態度。在這種情況下，其中一位作者預測，金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）在所謂的65納米節點以下的縮放速度不會減慢，在達到縮放極限之前，將持續至少十年。

圖1. 二維（2D）納米電子學、三維（3D）積分和功能集成都可以擴展摩爾定律，但都面臨著巨大的挑戰和基本限制

計算的目標不是每秒操作數，而是每秒信息數。在這方面，生物學提供了指導。人類的感官在將信息轉發到大腦之前在本地處理信息。在本地內存和數據處理（邊緣分析）的支持下，為連接模擬世界的邊緣傳感器賦能，可以防止數據洪流淹沒計算機。

圖2. CNT晶體管具有廣泛的潛在應用

其中半導體碳納米管是具有納米級直徑的堅固分子，可用于場效應晶體管，從較大的薄膜實現到與硅電子器件配合使用的器件，并有可能用作高性能數字電子以及射頻和傳感應用的平臺。對半導體碳納米管的廣泛興趣也激發了對其他納米材料的密集和持續探索，包括半導體納米線，2D石墨烯，過渡金屬硫族化合物和Xenes。盡管納米材料選擇越來越多，但碳納米管在提供穩定性、帶隙以及卓越的電學和熱性能方面脫穎而出，這是其他候選材料無法比擬的。

圖3. CMOS晶體管密度和開關能量的進展

在80年代后期，從雙極到互補金屬氧化物半導體（CMOS）晶體管技術進行了廣泛的設計過渡。CMOS自60年代以來一直在開發中，并受到日本制造商的青睞，為電力挑戰提供了急需的緩解。與雙極晶體管不同，CMOS技術的互補上拉和下拉晶體管配置在穩定的邏輯狀態下消耗的待機功率可以忽略不計，因為它僅在狀態轉換期間耗散功率。

電子產品正處于拐點。75年來，使晶體管更小成為可能，但這不會成為未來幾十年進步的動力。如果摩爾定律被理解為指每個集成系統（不一定是每個芯片）的晶體管數量不斷增加，那么摩爾定律的終結就看不到了。晶體管數量的增加不會通過使它們更小來實現，而是通過垂直堆疊或將它們橫向組合在復雜的封裝中，最終形成單片3D芯片并增加功能。

從納米電子學（專注于減小晶體管尺寸）到太兆級電子學（由晶體管數量和相關功能的增加驅動）的轉變定義了未來的范式轉變和核心研究挑戰。這將需要在材料、設備、加工以及人類有史以來最復雜系統的設計和制造方面取得根本性的進步。總有一天，電氣隧道和熱瓶頸將定義3D集成的極限。在那之前，摩爾定律可能會繼續下去。

https://doi.org/10.1126/science.ade2191
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add2713
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp8278
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade7656

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摩爾定律75年，Science連發4篇專刊！

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