科普 | 微處理器：50歲了！

平頭叔

2021年7月12日 11:59

50年前的這個月，英特爾推出了第一款商用微處理器 4004。微處理器是微型的通用芯片，使用由晶體管組成的集成電路來處理數據。它們是現代計算機的核心。英特爾為日本公司 Busicom 制造的打印計算器創建了12平方毫米的芯片。4004 有 2,300 個晶體管——與當今芯片中的數十億個相比，這個數字相形見絀。但 4004 比其前輩實現了跨越式發展，它將房間大小的、基于真空管的第一臺計算機的計算能力打包到一個指甲大小的芯片中。在過去的 50 年里，微處理器以難以想象的方式改變了我們的文化和經濟。

讓我們來看看材料化學和電氣工程方面的歷史性成就，這些成就造就了4004，隨后的進步造就了今天的計算機，以及可能造就未來設備的尖端技術。

早些年的發展歷程

真空管

基于真空管的 ENIAC占據了整個房間。來源：US Army

早期的計算機使用真空管作為數字邏輯計算的開關。這些真空管由玻璃管內的金屬電極組成，可以打開或關閉流過它們的電流，以產生必要的 1 和 0 狀態。真空管體積大、耗電且容易發生故障。美國第一臺電子計算機，即電子數值積分器和計算機 (ENIAC)，于 1945 年啟動。它有房間大小，使用了 17,000 多個真空管，它太大了，必須必須為每個新的計算系列重新配置其接線。

晶體管的誕生

第一個晶體管（此處顯示的是復制品）于 1947 年在 AT&T 的貝爾實驗室制造。圖片來源：Mark Richards/計算機歷史博物館

物理學家 Julius Edgar Lilienfeld 在 1926 年提出了一種替代真空管的方法：晶體管。當時他無法建造一個，因為研究人員無法獲得作為晶體管核心的高質量半導體。晶體管通常使用三個金屬電極和一個半導體通道。柵電極提供足夠的電能以在導電和絕緣狀態之間切換通道。當導電時，電流可以在源電極和漏電極之間流動。像真空管一樣，這些設備可以通過打開和關閉電流在 1 和 0 之間切換，并且可以放大電信號。但它們比真空管更緊湊、更堅固、更節能。第一個晶體管是 1947 年由 AT&T 貝爾實驗室的一個團隊制造的。它是一小塊鍺，上面有兩個由塑料楔固定的金電極。施加到一個電極上的電壓可以調制通過另一個電極的電流。

硅晶體管

第一個商用硅晶體管是德州儀器 905 型。圖片來源：Mark Richards/計算機歷史博物館

硅晶體管比鍺制成的晶體管更可靠，性能也更好——尤其是在軍事應用所需的高溫下，這是計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（第一個商業銷售的此類硅器件）一樣，早期的晶體管是單獨的組件，裝在帶有尾線連接器的金屬罐中。工程師利用這些單獨的數字開關構建電路。

集成電路

德州儀器的第一個固體電路芯片使用flying gold連接組件。圖片來源：Mark Richards/計算機歷史博物館

第一個集成電路將多個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。業界很快將用在同一平面內包含電觸點的扁平集成電路取代這種設計。

金屬氧化物半導體晶體管

第一個商用金屬氧化物半導體集成電路使用了 120 個晶體管。圖片來源：通用微電子公司 (GMe)/計算機歷史博物館

我們今天所知的微處理器的另一個關鍵成分——也是英特爾第一款微處理器的關鍵要素——是金屬氧化物半導體晶體管配方。這些晶體管由導電金屬接觸層、絕緣氧化物和僅使用一種電荷載流子的半導體組成：電子或稱為空穴的帶正電物質。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。

微處理器成長起來

摩爾定律

英特爾聯合創始人戈登摩爾

1965 年，時任飛兆半導體的英特爾聯合創始人戈登摩爾預測，集成電路上的組件數量將在 10 年內每年翻一番。1975 年，他修改了他的法律，規定組件每兩年翻一番。在隨后的幾十年中，半導體制造領域的持續創新使該行業能夠符合這一預測。自 Intel 4004 以來的 50 年中，計算機芯片變得越來越復雜，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有相應增加。

加寬晶圓

圖片來源：Mark Richards/計算機歷史博物館

單晶硅錠被切成薄片，稱為晶片。

圖片來源：Saperaud/維基百科

硅晶片的尺寸增加了。此處顯示的是 51 毫米、100 毫米、150 毫米和 200 毫米版本。

為了制造今天的集成電路，工程師們從稱為晶片的晶體硅薄片開始，然后在其上反復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，這一過程稱為摻雜。在這些步驟之后，機器將晶片切割成計算機芯片。半導體行業降低成本的一個關鍵方法是使用越來越大的晶圓，在不增加工藝步驟的情況下一次制造越來越多的芯片。早期的晶圓只有幾厘米大??；現在的芯片大多是在 300 毫米圓盤上制造的。晶片是從熔融溶液中生長的純硅單晶錠中切割出來的。

銅互連（Copper interconnects）

來源：IBM

IBM 于 1997 年推出了圖案化銅互連。

就像晶體管對微處理器一樣重要，如果沒有連接這些開關的細小金屬線，它們將做不出來。當這些所謂的互連高度導電且不發熱時，電路會更快、更高效。互連最初是由鋁制成的。IBM 于 1997 年在其芯片中引入了導電性更高的銅線，之后制定了防止銅離子遷移到周圍硅的修復方法。

應變硅（Strained silicon）

圖片來源：Fritzchens Fritz/維基百科

Intel 的 Pentium 4 使用基于應變硅的速度更快的晶體管。

通過在電路中塞入越來越多、越來越小的晶體管，半導體行業取得了很大進展。但提高芯片性能的另一種方法是使單個開關更快。2002 年，英特爾宣布它可以通過將其晶體管的核心——晶體管導通時電流流過的硅通道——置于機械應變下來實現這一目標。通過在通道附近添加材料，導致硅晶體拉伸或壓縮約 1%，英特爾可以增加通過晶體管的電流并使電路更快。

鰭式場效應晶體管（FinFETs）

來源：Ascannio/Shutterstock

在 FinFET 中，鰭狀硅通道從表面伸出，幾乎可以完全被絕緣氧化層包圍。

隨著晶體管變得越來越小，芯片制造商碰壁了。在較小的晶體管中，完全關閉電流更具挑戰性，因此本應關閉的晶體管仍然會泄漏電流并浪費電力。這個問題導致業界轉向一種新的晶體管設計，該設計將絕緣材料包裹在從晶片表面伸出的硅通道的四個側面中的三個側面。這些器件被稱為 FinFET 或三柵極晶體管，由加州大學伯克利分校的研究人員于 1990 年代后期開發；英特爾于 2011 年率先在商業上采用了它們。

環柵晶體管（Gate-all-around transistors）

來源：IBM

這張約 70 納米寬的顯微鏡圖像顯示了一個 IBM 晶體管，其硅通道完全被絕緣體包圍。

半導體行業繼續小型化芯片組件的一個可能途徑是環柵晶體管，它在 FinFET 發展之后進入下一個邏輯步驟，將硅通道完全包裹在絕緣材料中以進一步防止泄漏。今年，IBM 展示了基于該技術的高度小型化芯片。

層狀納米材料（Layered nanomaterials）

圖片來源：Felice Frankel/麻省理工學院

這張顯微鏡圖像顯示了由碳納米管制成的微處理器的一部分。

隨著硅晶體管變得更小變得越來越難，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體材料可以在比硅低得多的溫度下進行加工。這些較低的溫度將使工程師能夠將電路堆疊成塔，而不會損壞先前的層。這些堆疊電路塔將在給定的 2D 足跡中包含更多的計算能力。研究人員在 2013 年展示了第一臺基于碳納米管的完整計算機，并證明其功能類似于英特爾 4004。工程師現在正在研究如何商業化制造這些電路。

來源：文章由半導體行業觀察編譯來自【C&en】，謝謝。

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