芯片上的晶体管有多小？
2021-11-27
14:00:18
来源: 半导体行业观察
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编译自publico
，谢谢。
在最先进的芯片中，晶体管像病毒一样小，也就是大约 50-100 纳米（一个纳米是百万分之一毫米）。我们将在本文中看到晶体管的尺寸从 1959年发明集成电路 (IC)到今天是如何演变的。
图：在显微镜下拍摄的芯片彩色图像。你看到的是晶体管的金属互连轨道，它们在下面，不可见
1965年，戈登·摩尔，英特尔的创始人，发表了著名文章称，多年来，已成为一种预言：被集成在一个芯片的晶体管数量每两年增加一倍。这篇文章是电子学史上的一颗真正的宝石，可能是对这一科学和技术分支的后续发展影响最大的文章之一。下图显示了摩尔在其著名文章中的内容：
数学中的这种增长有一个名字：指数规律。从那时起，IC 或芯片中晶体管数量的增加（它们是通常的两种称呼方式）一直遵循这一趋势，这在电子世界中被称为摩尔定律。
这一预测在微电子行业起到了一种“自我实现的预言”的作用，即制造商年复一年地执意要实现。当然，这不仅仅是为了满足预测，而是为了寻求（并发现）这一趋势的好处，这种趋势几乎对行业产生了“神圣的使命”。当你阅读摩尔的文章时，仍然令人震惊的是，他在其中做出的预测不仅实现了，而且半个世纪以来他们年复一年地这样做。在任何其他工业部门中都不容易找到像本次那样坚定的预测“追逐”。
因此，自从 1950 年代后期问世以来，IC 在接下来的几年里经历了前所未有的发展，最初是由美国太空计划和军事工业推动的。制造了更多数量的晶体管。如果说最初的 IC 集成了几十个晶体管，那么几年后市场上已经有成千上万的 IC 上市，而今天，有数十亿个晶体管的 IC。下图显示了这一趋势：
由于其制造工艺经历了巨大的发展，因此可以大幅增加 IC 中的晶体管数量。微电子技术采用的程序部分让人联想到汽车的大规模生产，这样在单个硅半导体晶片上，可以同时复制大量相同的完整电路。此过程主要包括在硅表面上印刷多个几何图案，这允许定义构成它的每个设备，然后选择性地沉积各种绝缘和导电材料，以便正确地互连不同的组件. 的 IC，连续重复多次的步骤，直到完成 IC。所有这一切都可以在 IC 制造业真正的瓶颈技术的帮助下成为可能：光刻。
为了更直观地了解摩尔定律的含义，想象一下读者回到过去。前往 1971 年，准备在可容纳 2,300 人的礼堂听歌剧，晶体管数量与当年英特尔制造的第一款微处理器4004集成的晶体管数量完全相同. 如果那个礼堂的容量按照摩尔定律发展，但不改变它占据的空间并在 1982 年恢复原状，那么 134,000 人将聚集在同一个场地——一个大型足球场的容量和英特尔 286 的容量处理器-。多年后的 2000 年，礼堂的容量已经可以容纳东京的全部人口——3700 万人，与最新版本的英特尔奔腾 III 处理器中的晶体管数量相同——；如果试镜是在 2011 年进行的，它会遇到 13 亿人——中国的全部人口或英特尔酷睿 i7 处理器版本之一的晶体管数量——如果它在 2019 年参加，观众本来可以容纳 74 亿人，也就是说，整个星球的人口 - 以及 IBM z13 存储控制器中内置的晶体管数量。最后，如果这次试镜是在 2021 年进行，那么容量会变成相当于两个地球的容量，因为它要聚集 150 亿人，也就是处理器的晶体管数量Bionic A 15（配备新款 iPhone 13 的机型）。如下图所示：
严格来说，芯片面积多年来也略有增长，但比例要小得多。比如Intel 4004占用了12mm²（3mm×4mm），而Bionic A 15的表面积为107.7mm²（8.58mm×12.55mm），这样晶体管的比例就乘以了6870 .000，而区域则为 9。
在芯片上集成越来越多的晶体管意味着减小其尺寸，这带来了优势，但代价是增加了制造过程的复杂性。晶体管越小，芯片本身就越小，晶圆上可以安装的芯片就越多。同时，无论可以从每个晶片获得多少芯片，处理晶片的成本都保持大致相同。这意味着减小晶体管的尺寸会导致芯片更便宜. 或者，芯片可以保持相同的尺寸，这样它内部就有更多的组件。这使得它更强大，但不会更昂贵。最重要的是，缩小晶体管的尺寸可以提高它们的性能，而不会增加它们的功耗。也就是说，芯片制造商有强烈的动机缩小晶体管的尺寸。这正是他们在过去几十年中一直在做的事情，其中芯片上的晶体管数量从数百个增加到数十亿个。对于晶体管来说，这是一个惊人的小尺寸。下图显示了一个这样的晶体管：
要了解这个小尺寸意味着什么，请想象一下，我们将集成晶体管的芯片的尺寸放大，直到它与马德里社区占据的面积（8,000 平方公里）相似。在这个规模上，每个晶体管将占据或的面积。5平方米，类似于40英寸直径电视的屏幕面积。
1970 年代开始从事芯片行业的普渡大学教授马克·伦德斯特罗姆( Mark Lundstrom)于 2003 年为《科学》杂志撰写了一篇文章，预测摩尔定律将在 2015 年达到物理极限。伦德斯特罗姆说，在他的职业生涯中，他曾多次认为“好了，到此为止了。” 他记得 1975 年参加了他的第一次芯片制造会议。用他的话来说：
有一个叫戈登摩尔的人在做演讲。他在技术界很有名，但没有人知道他是谁，我记得他的演讲。摩尔说：“很快我们就能在一个芯片上放置 10,000 个晶体管。有人可以用芯片上的 10,000 个晶体管做什么？
今天，市场上的芯片有150 亿个晶体管。您的设计师和制造商可以用它们做什么？
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