再过25年，诞生一百周年的晶体管会走向何方？

            
            作者：SAMUEL K. MOORE
            机器之心编译
            编辑：王楷、蛋酱
            25 年后的晶体管会是什么样？
            2047 年，我们将会迎来晶体管问世的一百周年。届时，晶体管会是怎样的呢？会比今日所扮演的关键计算元件的角色更重要吗？在最近的一篇文章中，IEEE Spectrum 向世界各地的专家们征询了他们的预测意见。
            IEEE Spectrum （电气电子工程师协会核心刊物）预测晶体管未来的专家人士包括：加布里埃尔 · 洛（Gabriel Loh）、斯里 · 萨马韦达姆（Sri Samavedam）、萨耶夫 · 萨拉赫丁（Sayeef Salahuddin）、理查德 · 舒尔茨（Richard Schultz）、苏曼 · 达塔（Suman Datta）、金智杰（Tsu-Jae King Liu）和黄汉森（H.-S. Philip Wong）（见上图，左起顺时针）。
            2047 年的晶体管将会走向何方呢？
            一位专家表示，预计晶体管将比今日更为多样化。正如处理器从 CPU 发展到包括 GPU、网络处理器、AI 加速器及其它专用计算芯片一样，晶体管也将逐步发展以适应各种用途。
            斯坦福大学电气工程教授，台积电前企业研究副总裁、IEEE Fellow 黄汉森（H.-S. Philip Wong）指出：「器件技术将面向特定应用领域，就如计算架构已经成为面向应用特定领域一般那样发展。」
            IEEE Fellow、佐治亚理工学院电子与计算机工程专业教授 Suman Datta 指出：「尽管晶体管愈发多样，但其基本的工作原理——打开和关闭晶体管场效应将可能长期保持不变。」
            IEEE Fellow、UC 伯克利工学院院长、英特尔董事会成员金智杰（Tsu-Jae King Liu）也表示，未来该元器件的最小临界尺寸可能为 1nm 或更小，这将会使晶体管密度达到每平方厘米 10 万亿个晶体管。
            「可以有把握地推测，2047 年晶体管或交换机架构将早已在实验室规模下实现展示」——斯里 · 萨马韦达姆（Sri Samavedam）
            专家们似乎都一致认为 2047 年的晶体管将需要更新的材料，且可能还需要一种堆叠的或 3D 的设计架构以实现规划中的互补场效应晶体管（CFET 或 3D 堆叠的互补金属氧化物半导体 CMOS）能力拓展。Datta 教授说道：「为了进一步持续增加晶体管密度，现今平行于硅平面的晶体管沟道（channel）可能需要垂直设计。」
            AMD 公司高级研究员 Richard Schultz 指出：「开发这些新元器件的主要目的将在于功率优化，研究将聚焦于功耗的降低以及先进散热解决方案的提出，其中尤需重点关注在较低电压条件下工作的晶体管情况。」
            25 年后，晶体管仍会是大多数计算的核心吗？
            计算不通过晶体管来进行？很难想象存在这样一个世界，但实际上，真空管也曾经是可选的数字开关。根据麦肯锡公司的数据，不直接依赖晶体管的量子计算的创业融资在 2021 年就已达到了 14 亿美元。
            但电子设备领域的专家表示，到 2047 年，量子计算的发展仍不足以快速进步到能够挑战晶体管的地步。IEEE Fellow、UC 伯克利电子工程与计算机科学专业教授 Sayeef Salahuddin 说道：「晶体管仍将在很长时间内是最重要的计算元件。目前，即使有了理想的量子计算机，与经典计算机相比，其潜在的应用领域似乎仍相当有限。」
            欧洲芯片研发中心微电子研究中心（Imec）的 CMOS 技术高级副总裁 Sri Samavedam 对此表示赞同。他说道：「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，人们不能忽视数十年来不断努力优化晶体管所实现的效率提升。」
            2047 年的晶体管，现在已经发明出来了吗？
            25 年相当漫长，但在半导体研发世界里，这一时间长度的作用却十分有限。
            Samavedam 说道：「在半导体行业里，从概念阶段到引入制造阶段通常需要大约 20 年的时间。」25 年前与伯克利学院同事展示了鳍式场效应晶体管（FinFET）的金智杰教授（Tsu-Jae King Liu）也深以为然，她说道：「即使 2047 年晶体管所用材料可能不完全和现在设计阶段的一致，但我们还是很有把握去推测，2047 年的晶体管或交换机架构早已在实验室层面实现了产出展示。」
            但是，2047 年的晶体管已经发明出来并存在于某处实验室中的想法并未得到普遍认同。比如说，Sayeef Salahuddin 教授就认为它还没有被发明出来。「不过就像 20 世纪 90 年代的鳍式场效应晶体管（FinFET）一样，现在可能有人确实对未来晶体管的几何结构做出了合理的预测，」他如此说道。
            AMD 公司的 Schultz 表示，大家可以在现今提议的由 2D 半导体或碳基半导体制成的 3D 堆叠元件中瞥见这种结构。他补充道：「尚未发明的元器件材料也可能在此时间范围内面世。」
            2047 年，硅是否仍将是大多数晶体管的活跃成分？
            专家们表示，大多数元器件的核心，即晶体管沟道区域，仍将使用硅材料，抑或可能是早已在研究中取得一定突破的硅 - 锗材料或锗材料。然而，在 2047 年，许多芯片可能会使用现今被认为奇特的半导体，包括诸如氧化铟镓锌在内的氧化物半导体、 金属二硫族化物二硫化钨等二维（2D）半导体以及碳纳米管等一维半导体。微电子研究中心（Imec） 的 Samavedam 指出，这些奇特的半导体甚至会是「其他有待发明的东西」。
            「晶体管仍将是最重要的计算元件」——萨耶夫 · 萨拉赫丁（Sayeef Salahuddin）
            AMD 高级研究员、 IEEE Fellow Gabriel Loh 指出，硅基芯片可能会与依赖更新材料制成的芯片集成在同一封装中，就如同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。
            哪种半导体材料将会成为半导体的核心元件甚至都可能不会是 2047 年的核心问题。Salahuddin 表示：「半导体沟道材料的选择本质上取决于它是否可以同构成晶体管的诸多其它材料最为兼容。」对于将多种材料同硅材集成在一起，目前人们知之甚多。
            在 2047 年，晶体管将会普及在哪些今日尚未渗透的领域呢？
            它将随处可见。这绝非玩笑，而是非常认真的论点。专家们确实希望一些智能和传感元件可以渗透到我们生活的方方面面。这意味着这些元器件将出现在以下场景中：
            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；
            织进我们的衣物中；
            粘在我们的食物上；
            在麦田里随风摇曳；
            在每条供应链中密切关注每一个环节；
            在超乎人们想象的场景中帮助做许多其他的事情。
            斯坦福大学黄汉森（Wong）总结到：「晶体管将会出现在所有需要计算、命令控制、通信、数据收集、存储分析、智能、传感驱动、与人类进行交互，或进入虚拟和混合现实世界门户的方方面面。」
            参考内容：
            https://spectrum.ieee.org/the-transistor-of-2047-expert-predictions