英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon Moore)提出了最初的觀察結(jié)果，后來(lái)演變成摩爾定律。查看更多 電腦硬件圖片.

　　賈斯汀·沙利文/蓋蒂圖片社在20世紀(jì)，發(fā)明家創(chuàng)造了我們經(jīng)常依賴的設(shè)備?？梢哉f(shuō)，最重要的發(fā)明之一是 晶體管.該晶體管由貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師于1947年開(kāi)發(fā)，其最初目的是放大聲音。 電話 線。晶體管取代了一種舊技術(shù)——真空管。這些管子不可靠，它們很笨重，而且也會(huì)產(chǎn)生大量熱量。

　　第一個(gè)晶體管是一個(gè) 點(diǎn)接觸晶體管 它的高度為半英寸(1.27厘米)。晶體管不是很強(qiáng)大，但物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到了該設(shè)備的潛力。不久，物理學(xué)家和工程師開(kāi)始將晶體管整合到各種電子設(shè)備中。隨著時(shí)間的流逝，他們還學(xué)會(huì)了如何使晶體管更小，更高效。

　　1958年，工程師將兩個(gè)晶體管連接到硅晶體上，并創(chuàng)造了世界上第一個(gè) 集成電路 [資料來(lái)源： 英特爾].反過(guò)來(lái)，集成電路為集成電路的發(fā)展鋪平了道路。 微處理器.如果你把計(jì)算機(jī)比作人類，微處理器就是大腦。它進(jìn)行計(jì)算并處理數(shù)據(jù)。

　　到1960年代，計(jì)算機(jī)科學(xué)家(也是英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人)戈登·摩爾(Gordon Moore)提出了一個(gè)有趣的觀察。他注意到，每隔12個(gè)月，工程師就能將一平方英寸硅片上的晶體管數(shù)量增加一倍。像發(fā)條一樣，工程師們正在尋找減小晶體管尺寸的方法。正是因?yàn)檫@些小晶體管，我們才有了像這樣的電子設(shè)備。 個(gè)人電腦, 智能手機(jī) 和 MP3播放器.如果沒(méi)有晶體管，我們?nèi)詫⑹褂谜婵展芎蜋C(jī)械開(kāi)關(guān)進(jìn)行計(jì)算。

　　自摩爾觀察以來(lái)，萎縮趨勢(shì)仍在繼續(xù)。但它沒(méi)有跟上摩爾觀察到的步伐。如今，晶體管的數(shù)量每24個(gè)月翻一番。但這提出了一個(gè)有趣的問(wèn)題：晶體管 - 以及擴(kuò)展的CPU- 能有多小?1947年，單個(gè)晶體管的高度略高于百分之一米。如今，英特爾生產(chǎn)的微處理器的晶體管寬度僅為45納米。納米是十億分之一米!

　　英特爾和其他微處理器制造商已經(jīng)在研究下一代芯片。這些將使用寬度僅為32納米的晶體管。但一些物理學(xué)家和工程師認(rèn)為，在晶體管尺寸方面，我們可能會(huì)遇到一些基本的物理限制。

　　晶體管剖析

　　英特爾副總裁湯姆·基爾羅伊(Tom Kilroy)在舊金山的新聞發(fā)布會(huì)上手持雙核至強(qiáng)處理器5100。

　　法院桅桿/英特爾通過(guò) 蓋蒂圖片社在我們討論晶體管的物理限制之前，了解晶體管是由什么組成的以及它的實(shí)際作用會(huì)有所幫助?；旧希w管是由一種特殊物質(zhì)制成的開(kāi)關(guān)。對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分類的一種方法是查看它的導(dǎo)電能力。這將物質(zhì)分為三類： 導(dǎo)體, 絕緣 子 和 半導(dǎo)體.導(dǎo)體是由具有電子自由空間的原子制成的任何類型的材料。電流可以穿過(guò)導(dǎo)電材料 - 金屬往往是良好的導(dǎo)體。絕緣體是由沒(méi)有任何可用電子空間的原子組成的物質(zhì)。結(jié)果， 電力 不能流過(guò)這些材料。陶瓷或玻璃是絕緣體的好例子。

　　半導(dǎo)體 有點(diǎn)不同。它們由具有原子的物質(zhì)組成，原子具有一定的電子空間，但不足以像金屬那樣導(dǎo)電。硅就是這樣一種材料。在某些情況下，硅可以充當(dāng)導(dǎo)體。在其他情況下，它充當(dāng)絕緣體。通過(guò)調(diào)整這些環(huán)境，可以控制電子的流動(dòng)。這個(gè)簡(jiǎn)單的概念是世界上最先進(jìn)的電子設(shè)備的基礎(chǔ)。

　　工程師們發(fā)現(xiàn)，通過(guò) 摻雜 - 將某些類型的材料引入硅中，他們可以控制其導(dǎo)電性。他們會(huì)從一個(gè)名為 酶作用物 并用帶負(fù)電或帶正電的材料摻雜它。帶負(fù)電的材料具有過(guò)量的電子，而帶正電的材料具有過(guò)量的 孔 - 電子可以容納的地方。在我們的示例中，我們將考慮一個(gè) N型晶體管，具有帶正電的基板。

　　在此基礎(chǔ)上有三個(gè)終端：一個(gè) 源一個(gè) 排水 和 門.柵極位于源極和漏極之間。它充當(dāng)一扇門，電壓可以通過(guò)它進(jìn)入硅，但不能返回。柵極有一層薄薄的絕緣體，稱為 氧化層 這可以防止電子通過(guò)終端。在我們的示例中，絕緣體位于柵極和帶正電的基板之間。

　　我們示例中的源極和漏極是帶負(fù)電荷的端子。當(dāng)您向柵極施加正電壓時(shí)，它會(huì)將帶正電的基板中的少數(shù)自由電子吸引到柵極的氧化層。這將創(chuàng)建一個(gè) 電子通道 在源極和漏極之間。如果隨后對(duì)漏極施加正電壓，電子將從源極通過(guò)電子通道流向漏極。如果從柵極移除電壓，基板中的電子不再被柵極吸引，通道被破壞。這意味著當(dāng)你對(duì)柵極充電時(shí)，晶體管被切換到“打開(kāi)”。 當(dāng)電壓消失時(shí)，晶體管“關(guān)閉”。

　　電子設(shè)備將這種切換解釋為位和字節(jié)形式的信息。這就是您的計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備處理數(shù)據(jù)的方式。但是由于電子依賴于電子的運(yùn)動(dòng)來(lái)處理信息，因此它們受到一些特殊的物理定律的約束。我們將在下一節(jié)中仔細(xì)研究它們。

　　我是積極的!

　　雖然我們?cè)谑纠惺褂?n 型晶體管，但可以構(gòu)建 P型晶體管.在這種情況下，您將用帶負(fù)電的材料摻雜基板，端子將帶正電荷。

　　納米級(jí)晶體管

　　奔騰 4 處理器家族。

　　英特爾/新聞人物通過(guò) 蓋蒂圖片社似乎每年都有記者發(fā)表一篇文章，說(shuō)晶體管盡可能小，摩爾定律已經(jīng)完成。然后工程師們找到創(chuàng)新的方式來(lái)制造更小的晶體管，并證明記者是錯(cuò)的。我們已經(jīng)到了這樣一個(gè)地步，許多作家在預(yù)測(cè)摩爾定律的終結(jié)時(shí)都很害羞。

　　但確實(shí)有一天，我們將達(dá)到傳統(tǒng)晶體管的物理極限。那是因?yàn)橐坏┠銚糁?納米級(jí)，你正在處理的奇異世界 量子力學(xué).在這個(gè)世界上，物質(zhì)和能量的行為方式似乎違反直覺(jué)。量子物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)非常不同——你甚至無(wú)法在量子尺度上觀察某些東西而不影響它的行為。

　　一種量子效應(yīng)是 電子隧穿.電子隧穿有點(diǎn)像隱形傳態(tài)。當(dāng)材料非常薄時(shí) - 一個(gè)納米(約10個(gè)原子厚)的厚度 - 電子可以直接穿過(guò)它，就好像它根本不存在一樣。電子實(shí)際上并沒(méi)有在材料上形成一個(gè)洞。相反，電子從勢(shì)壘的一側(cè)消失，并在另一側(cè)重新出現(xiàn)。由于柵極旨在控制電子的流動(dòng)，這是一個(gè)問(wèn)題。如果電子在任何情況下都可以通過(guò)門，就沒(méi)有辦法控制它們的流動(dòng)。對(duì)于泄漏的晶體管，電子的流動(dòng)無(wú)法控制，因此處理器將無(wú)效或根本無(wú)法正常工作。

　　隨著像英特爾這樣的公司致力于開(kāi)發(fā)寬度僅為32納米的晶體管，不久之后氧化層就會(huì)變得太薄，無(wú)法使用傳統(tǒng)晶體管充當(dāng)電子的柵極。雖然工程師過(guò)去在縮小晶體管的競(jìng)賽中遇到了一些障礙，但他們總能找到一些方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題并跟上摩爾定律。但是，一旦我們面對(duì)物理的基本定律，那些日子可能會(huì)結(jié)束。

　　工程師可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一種方法，即使在一納米的厚度下也能制造出有效的絕緣體。但即使他們?cè)O(shè)法做到這一點(diǎn)，正如我們今天所知的晶體管，他們能走得更遠(yuǎn)。畢竟，超越納米尺度的是 原子尺度，您在其中處理的材料只有少數(shù) 原子 在大小上。

　　這并不意味著晶體管會(huì)消失。但這可能意味著 微處理器 發(fā)展將放緩并趨于平穩(wěn)。處理能力的提高可能不會(huì)繼續(xù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。但盡管如此，公司可能會(huì)找到提高微處理器效率和性能的方法。

　　微處理器制造商也有可能找到晶體管的替代品。有些人已經(jīng)在研究利用納米尺度量子效應(yīng)的方法 - 有效地將納米檸檬轉(zhuǎn)化為納米檸檬水。

　　看起來(lái)微處理器制造商只能讓摩爾定律再持續(xù)幾年。但如果你回顧幾十年前的預(yù)測(cè)，你會(huì)看到記者們也提出了同樣的說(shuō)法。也許工程師將這些預(yù)測(cè)視為個(gè)人挑戰(zhàn)，以找到繞過(guò)看似不可逾越的障礙的方法。

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　　小包裝

　　英特爾最小的微處理器是Atom，它占地26平方毫米，擁有4700萬(wàn)個(gè)晶體管。英特爾將Atom設(shè)計(jì)為在智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備中工作[來(lái)源： 英特爾].