科普 | 微處理器：50歲了！

 讓我們來(lái)看看材料化學(xué)和電氣工程方面的歷史性成就，這些成就造就了4004，隨后的進(jìn)步造就了今天的計(jì)算機(jī)，以及可能造就未來(lái)設(shè)備的尖端技術(shù)。
早些年的發(fā)展歷程
真空管

 早期的計(jì)算機(jī)使用真空管作為數(shù)字邏輯計(jì)算的開(kāi)關(guān)。這些真空管由玻璃管內(nèi)的金屬電極組成，可以打開(kāi)或關(guān)閉流過(guò)它們的電流，以產(chǎn)生必要的 1 和 0 狀態(tài)。真空管體積大、耗電且容易發(fā)生故障。美國(guó)第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，即電子數(shù)值積分器和計(jì)算機(jī) (ENIAC)，于 1945 年啟動(dòng)。它有房間大小，使用了 17,000 多個(gè)真空管，它太大了，必須必須為每個(gè)新的計(jì)算系列重新配置其接線(xiàn)。 晶體管的誕生 
 物理學(xué)家 Julius Edgar Lilienfeld 在 1926 年提出了一種替代真空管的方法：晶體管。當(dāng)時(shí)他無(wú)法建造一個(gè)，因?yàn)檠芯咳藛T無(wú)法獲得作為晶體管核心的高質(zhì)量半導(dǎo)體。晶體管通常使用三個(gè)金屬電極和一個(gè)半導(dǎo)體通道。柵電極提供足夠的電能以在導(dǎo)電和絕緣狀態(tài)之間切換通道。當(dāng)導(dǎo)電時(shí)，電流可以在源電極和漏電極之間流動(dòng)。像真空管一樣，這些設(shè)備可以通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉電流在 1 和 0 之間切換，并且可以放大電信號(hào)。但它們比真空管更緊湊、更堅(jiān)固、更節(jié)能。第一個(gè)晶體管是 1947 年由 AT&T 貝爾實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)制造的。它是一小塊鍺，上面有兩個(gè)由塑料楔固定的金電極。施加到一個(gè)電極上的電壓可以調(diào)制通過(guò)另一個(gè)電極的電流。 硅晶體管 
 硅晶體管比鍺制成的晶體管更可靠，性能也更好——尤其是在軍事應(yīng)用所需的高溫下，這是計(jì)算的一些主要早期用途。德州儀器 (TI) 于 1954 年宣布已想出一種處理硅的方法，到 1960 年，硅已成為主要的晶體管材料。就像這里展示的德州儀器晶體管（第一個(gè)商業(yè)銷(xiāo)售的此類(lèi)硅器件）一樣，早期的晶體管是單獨(dú)的組件，裝在帶有尾線(xiàn)連接器的金屬罐中。工程師利用這些單獨(dú)的數(shù)字開(kāi)關(guān)構(gòu)建電路。 集成電路 
 第一個(gè)集成電路將多個(gè)晶體管聚集在一塊鍺上，使用了所謂的flying gold。德州儀器的 Jack Kilby 于 1958 年建造了該電路。業(yè)界很快將用在同一平面內(nèi)包含電觸點(diǎn)的扁平集成電路取代這種設(shè)計(jì)。 金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管

 我們今天所知的微處理器的另一個(gè)關(guān)鍵成分——也是英特爾第一款微處理器的關(guān)鍵要素——是金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管配方。這些晶體管由導(dǎo)電金屬接觸層、絕緣氧化物和僅使用一種電荷載流子的半導(dǎo)體組成：電子或稱(chēng)為空穴的帶正電物質(zhì)。早期的晶體管攜帶兩種電荷并且速度更快。但是金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管使用更少的能量并且可以積極地小型化。
微處理器成長(zhǎng)起來(lái)
 摩爾定律 

1965 年，時(shí)任飛兆半導(dǎo)體的英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登摩爾預(yù)測(cè)，集成電路上的組件數(shù)量將在 10 年內(nèi)每年翻一番。1975 年，他修改了他的法律，規(guī)定組件每?jī)赡攴环?。在隨后的幾十年中，半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新使該行業(yè)能夠符合這一預(yù)測(cè)。自 Intel 4004 以來(lái)的 50 年中，計(jì)算機(jī)芯片變得越來(lái)越復(fù)雜，并且由晶體管和其他組件密集排列——而尺寸、成本或能源使用卻沒(méi)有相應(yīng)增加。 加寬晶圓
 為了制造今天的集成電路，工程師們從稱(chēng)為晶片的晶體硅薄片開(kāi)始，然后在其上反復(fù)沉積材料和蝕刻特征。他們還將其他元素添加到硅中以改變其電氣特性，這一過(guò)程稱(chēng)為摻雜。在這些步驟之后，機(jī)器將晶片切割成計(jì)算機(jī)芯片。半導(dǎo)體行業(yè)降低成本的一個(gè)關(guān)鍵方法是使用越來(lái)越大的晶圓，在不增加工藝步驟的情況下一次制造越來(lái)越多的芯片。早期的晶圓只有幾厘米大??；現(xiàn)在的芯片大多是在 300 毫米圓盤(pán)上制造的。晶片是從熔融溶液中生長(zhǎng)的純硅單晶錠中切割出來(lái)的。 銅互連（Copper interconnects）

 就像晶體管對(duì)微處理器一樣重要，如果沒(méi)有連接這些開(kāi)關(guān)的細(xì)小金屬線(xiàn)，它們將做不出來(lái)。當(dāng)這些所謂的互連高度導(dǎo)電且不發(fā)熱時(shí)，電路會(huì)更快、更高效?；ミB最初是由鋁制成的。IBM 于 1997 年在其芯片中引入了導(dǎo)電性更高的銅線(xiàn)，之后制定了防止銅離子遷移到周?chē)璧男迯?fù)方法。 應(yīng)變硅（Strained silicon）

 通過(guò)在電路中塞入越來(lái)越多、越來(lái)越小的晶體管，半導(dǎo)體行業(yè)取得了很大進(jìn)展。但提高芯片性能的另一種方法是使單個(gè)開(kāi)關(guān)更快。2002 年，英特爾宣布它可以通過(guò)將其晶體管的核心——晶體管導(dǎo)通時(shí)電流流過(guò)的硅通道——置于機(jī)械應(yīng)變下來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。通過(guò)在通道附近添加材料，導(dǎo)致硅晶體拉伸或壓縮約 1%，英特爾可以增加通過(guò)晶體管的電流并使電路更快。 鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFETs）

 隨著晶體管變得越來(lái)越小，芯片制造商碰壁了。在較小的晶體管中，完全關(guān)閉電流更具挑戰(zhàn)性，因此本應(yīng)關(guān)閉的晶體管仍然會(huì)泄漏電流并浪費(fèi)電力。這個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致業(yè)界轉(zhuǎn)向一種新的晶體管設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)將絕緣材料包裹在從晶片表面伸出的硅通道的四個(gè)側(cè)面中的三個(gè)側(cè)面。這些器件被稱(chēng)為 FinFET 或三柵極晶體管，由加州大學(xué)伯克利分校的研究人員于 1990 年代后期開(kāi)發(fā)；英特爾于 2011 年率先在商業(yè)上采用了它們。 環(huán)柵晶體管（Gate-all-around transistors） 
半導(dǎo)體行業(yè)繼續(xù)小型化芯片組件的一個(gè)可能途徑是環(huán)柵晶體管，它在 FinFET 發(fā)展之后進(jìn)入下一個(gè)邏輯步驟，將硅通道完全包裹在絕緣材料中以進(jìn)一步防止泄漏。今年，IBM 展示了基于該技術(shù)的高度小型化芯片。 層狀納米材料（Layered nanomaterials）  隨著硅晶體管變得更小變得越來(lái)越難，一些研究人員和公司正在完全尋找其他材料。一種替代方法是制造由碳納米管等納米材料制成的堆疊電路組成的層狀處理器。碳納米管、石墨烯和其他新型半導(dǎo)體材料可以在比硅低得多的溫度下進(jìn)行加工。這些較低的溫度將使工程師能夠?qū)㈦娐范询B成塔，而不會(huì)損壞先前的層。這些堆疊電路塔將在給定的 2D 足跡中包含更多的計(jì)算能力。研究人員在 2013 年展示了第一臺(tái)基于碳納米管的完整計(jì)算機(jī)，并證明其功能類(lèi)似于英特爾 4004。工程師現(xiàn)在正在研究如何商業(yè)化制造這些電路。
來(lái)源：文章由半導(dǎo)體行業(yè)觀(guān)察編譯來(lái)自【C&en】，謝謝。