数字芯片如何集成一万亿晶体管

在1947年12月，人类迎来了历史上的一个重大里程碑——第一代半导体放大器件的诞生。肖克利和他的团队将这一小巧的器件命名为晶体管。自那时起，晶体管不仅改变了世界，也让自己面临着不断的挑战与发展。

75年过去了，晶体管仍然是我们生活中不可或缺的一部分，而它本身也正处于一种瓶颈期。摩尔定律虽然放缓，但对于延续这一规律，我们依然需要新的想法和技术创新。在2022年的IEEE电子器件分会活动上，就有专家们分享他们如何在延续摩尔定律方面取得突破。

我们的世界是否还需要更好的晶体管？胡正明教授给出了肯定的答案，他认为我们需要新的晶体管，并提供了三个理由：一是随着晶体管技术的进步，我们获得了前所未有的新能力；二是半导体技术能够广泛应用并且节能环保；三是理论上，信息处理可以变得更加高效而低能耗。

然而，研发制造出这些新的晶体管并不容易，无论是在经济还是技术层面都存在巨大的挑战。尽管如此，大型企业如英特尔仍然在投入大量资源进行研究，以实现更小、更快、更省电的晶体管。他们正在采用3D CMOS结构以及环栅（GAA）制造新型晶體閘極（Fin-FET），并且已经展示了一种使用过渡金属硫化物作为通道材料的全环绕栅极堆叠式纳米片结构，这种材料只有三个原子的厚度，对电子流动性好。

除了芯片尺寸缩小之外，3D封装技术也是提升单个设备中晶体管数量的一个重要途径。英特尔通过混合键合技术，将功率密度和性能再次提升10倍，并实现与系统级芯片连接相似的互连密度和带宽。此外，他们还计划将多芯片互连中的无机材料用于兼容不同工艺要求。