尽管我们不知道这一点,但我们的日常生活受到微观尺寸的电子设备的强烈影响:晶体管,这是一种庆祝其今年75周年的设备。晶体管是当今世界中遍布当今世界的芯片的重要组成部分,由于它们在市场上的稀缺,由于各种原因,它们在市场上已经成为一个热门话题。在本文中,我将演示这些惊人的电子组件的某些特殊性。
现代现场效应晶体管的显微镜图像。该量表使它的尺寸微小,尽管有较小的规模。
我们手掌中的晶体管
“数字经济”,“数字银行”,“数字公司转型”,“数字地面电视”。当然,您几乎每天都会阅读或听到这些和相关的表达方式数百次。?而且我相信“数字”一词是新的,当前的,尖端,竞争等的代名词。您并没有错,这在很大程度上是正确的。
您可能不知道的是,由于存在称为晶体管的微型电子设备而使数字世界成为可能。您可能还没有意识到将它们携带在裤子口袋或手提包中 - 每天为您工作数十亿美元。在他们的帮助下,您可以与任何想要的人交谈;无论您是在下一街上还是沿着墨尔本或旧金山的主要大道漫步,他们都可以让您进行电话对话或视频通话,并具有出色的声音和图片质量。多亏了您的手机中的晶体管,您的孩子,伴侣,朋友等的照片始终与您同在。它们还可以与您的汽车的GPS,您的家或工作计算机,您观看自己喜欢的系列的电视,甚至手表一起工作。
1956年诺贝尔物理学 /图像奖的三个获奖者:版权?诺贝尔基金会
晶体管是所有设备和平台的核心,这些设备和平台驱动了我们沉浸在技术,习俗以及工作和休闲习惯上的真正革命。在晶体管的帮助下,除了拨打电话和发送电子邮件外,您还可以访问许多社交网络应用程序(所有这些应用程序链接到互联网:WhatsApp,Telegram,Facebook,Instagram,Twitter等);多亏了晶体管,您才能享受(或遭受)Netflix,HBO,Amazon,Filmin等平台的内容。晶体管在所有芯片中,可以简单便捷地使用上述设备,应用程序和平台。简而言之:如果没有晶体管,就不存在互联网。
可以说,晶体管是20世纪最重要的发明,经常被审查为科学研究如何导致有用的商业产品的典型例子。它于1947年出现在贝尔电话实验室,这是一家大型美国电信公司(A. T.&T。)的研究实验室,由三位伟大的科学家:威廉·肖克利(William Sharkley),约翰·巴丁(John Bardeen)和沃尔特·布拉塔(Walter Brattain)。
今天的晶体管有多大?
当今的芯片只有十分之一的方形毫米,在每个方面都有数十亿个晶体管,因此出现了一个直接的问题:如何在如此小的空间中拥有如此大量的晶体管?好吧,因为它们很小,因为每个人都占据了十分之一的纳米,大小与蛋白质或病毒相似。换句话说,我们看不到它们,但是从我们上床睡觉的那一刻起,它们每天都与我们在一起。下图显示了一种此类设备,以比较量表显示。我休息一下。
将晶体管的大小与微观生物学进行比较。一些当前的设备,例如图中的设备(其技术名称为finfet),就像蛋白质或病毒一样小。
下图显示了在显微镜下查看的当前芯片的样子。即使使用该仪器提供的放大倍数,也无法看到内部的晶体管。
上图:用显微镜获得的芯片图像。可以看出的是晶格下面晶体管的金属互连轨道,这些轨道不可见。下图:顶部显示的正方形的放大视图。晶体管在这里也不可见
他们为什么这么小?由于许多原因,其中一些与使它们成为可能的技术的历史发展有关。在下一节中,我将研究此方面,描述芯片中包含的晶体管数量如何发展到今天,并详细介绍了追求如此小的尺寸的一些原因。
摩尔定律,一个自我实现的预言
英特尔(全球领先的芯片制造商)的创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)在1965年发表了一篇著名的文章,多年来,该文章已成为一种预言:芯片上的晶体管数量每两年翻倍。?本文是电子史上的真正宝石,可能是随后发展科学和技术分支的最具影响力之一。
此后,芯片中晶体管数量的增加遵循了这一趋势,这被称为摩尔定律。该预测在微电子行业中是一种“自我实现的预言”,即制造商已确定从一年到下一年才实现。当然,这不仅是为了实现预言,而且要寻求(并找到)这种趋势的好处,该趋势几乎是一种“神圣的授权”。当您阅读摩尔的文章时,您不禁惊讶,他在其中做出的预测不仅实现了,而且年复一年地实现了半个多世纪。在任何其他行业分支中,都不是一个预测的“追求”,这并不容易。下图显示了这样的法律:
摩尔的处理器定律(CPU)和记忆。垂直尺度是对数。
通过使用真正令人惊奇的技术的汇编,由于其制造过程的巨大发展,芯片中晶体管的数量如此巨大。
需要使晶体管越来越小
如今,芯片具有越来越多的晶体管,只有通过降低其尺寸,这是有优势的,尽管以增加制造过程的复杂性为代价。晶体管的越小,芯片本身越小,并且芯片适合单个晶圆。同时,加工晶片的成本大致相同,无论从每个芯片中获得多少芯片。这意味着减少组件的尺寸会导致更便宜的芯片。另外,芯片可以保持相同的尺寸,以便它们内部有更多的晶体管。这使他们更加强大,但不(不得多)更昂贵。最重要的是,缩放晶体管可以提高其性能,而不会增加其功耗。
一家综合电路工厂的技术人员,带有许多芯片处理的硅晶片。
换句话说,芯片制造商有很大的激励措施减少晶体管的大小。这正是他们在过去的几十年中所做的事情,芯片上的晶体管数量已从数百升至数十亿,将其尺寸降低到了惊人的维度,正如我们在本文的第一个数字中已经看到的那样。减小这些已经很小的设备的大小仍然是从芯片中获取更多计算能力的最可靠的方法,因为电子通过它们更快,更有效地流动。
(可预测?)未来
在本世纪初,据预测,摩尔定律的结束将在2015年左右。预测的作者是普渡大学教授马克·伦德斯特罗姆“这就是结局”。?伦德斯特罗姆(Lundstrom)从1970年代开始在微电子行业工作,并于1975年参加了他的第一次筹码制造会议。在那里,他遇到了摩尔(Moore),他不认识他。他讲述了这次会议的以下内容:
有一个叫戈登·摩尔(Gordon Moore)的家伙发表演讲。他在技术界广为人知,但没有人知道他是谁。我记得他在演讲中说的话:“很快我们就可以将10,000晶体管放在芯片上。有人在芯片上使用10,000个晶体管怎么办?”
如今,市场上有超过150亿晶体管的市场。我们可以询问他们的设计师和制造商今天可以做些什么,以及在不久的将来可以做什么:5G电话,人工智能,物联网……所有这些进步将继续利用越来越强大的芯片,越来越强大较小的晶体管。换句话说,晶体管将继续与我们的生活以及我们的孩子和孙子的生活在一起,谁知道我们会把它们带到口袋里多久?
IgnacioMártil
马德里大学的电子学教授和西班牙皇家物理学会的成员
这本书的作者?opergíasolar:de lautopíaa la esperanza(análisisycrítica)