為什麼芯片上的晶體管越做越小_風聞

九月的最後一天，我們發佈了一支      《如何在納米尺度雕刻芯片》    ，展現芯片製造的工藝和難點。  在評論區，我們收到了一個有趣的提問：  為什麼一定要把晶體管做小？

今天，我們就將重點聚焦到芯片裏最基礎的結構——晶體管，並試圖解答：制約晶體管越做越小的因素，究竟是什麼？

這是世界上第一支三極晶體管的複製品，大約有一個蘋果那麼大。和其他一些簡單的電子元件一起，可以組成一個晶體管收音機。

今天，數字電路中最常見的晶體管被稱為 MOSFET，簡化一下大概長這樣，尺寸縮小到以納米為計。你的手機和電腦裏的芯片，都是由數十億個這樣的晶體管組成的。依照電流產生的不同方式，可分為 N 型和 P 型。

在 1965 年到 1975 年，英特爾的創始人高登·摩爾（Gordon Moore）指出，芯片中的晶體管數量大概每兩年翻一番。由於芯片通常採用平面工藝，相對應地，晶體管的尺寸每兩年也在縮小約 30%。

尺寸，代表着晶體管的技術節點。起初，它用柵極長度來表示，如果這個長度為 90 nm，那每平方毫米的芯片大概能容納約一百四十五萬個這樣的晶體管。

儘管這只是一個經驗性預測，卻被半導體行業精確地執行了 40 餘年。為什麼晶體管需要越做越小？

回答這個問題之前，首先要知道 MOSFET 晶體管是如何工作的。

它本質上是一個開關，其中的柵極，決定了源極 S 和漏極 D 之間能否導通。

以 N 型晶體管為例，柵極、介電層和底部的 P 型硅襯底組成了一個簡單的電容器。當柵極沒有加電壓的時候，S 和 D 中間的溝道電子很少，因此電阻比較大，S 和 D 無法導通；而當柵極加一個正電壓的時候，由於電場的吸引，電子聚集在 S 和 D 之間的溝道內，因此電阻減小，S 和 D 導通。

如果把一個 N 型 MOSFET 和一個 P 型 MOSFET 以下圖的方式組合在一起，就構成了一個簡單的反相器電路，用來實現最基本的「非」邏輯運算，比如輸入 0 輸出 1，輸入 1 則輸出 0。多個類似的邏輯模塊的組合就可以實現基礎的加減法乃至導彈姿態控制這樣的複雜計算。

顯而易見，要實現這麼複雜的功能，肯定需要很多個晶體管。因此，必須把晶體管做得足夠小，才能塞進你的電腦機箱。

不過，還有比這更重要的原因在驅使晶體管不斷變小——我們需要提高晶體管的開關速度。

以晶體管最重要的應用 CPU 為例，晶體管的開關速度限制了 CPU 的運算速度。

根據電容器充電原理，開關導通速度和電容大小相關。電容越大，充電時間越長，開關導通速度越慢。所以，我們需要減小電容，從而提高運算速度。

從上面這個公式可以看出，減小電容可以通過三種方式：增加介電層厚度，改變介電常數，和減小面積。

但介電層厚度太大，會導致溝道內的電場不夠強，不足以導通；改變介電常數需要更換介電材料，相當長的時間裏可供選擇的介電材料非常有限。

因此，唯一可行的方法就是減小面積，也就是減小溝道長度和寬度。於是，晶體管遵循這一策略一直縮小。正準備邁向 22 nm 節點時，問題出現了。

當溝道長度小於一定值，柵極對於溝道的控制能力下降。以 N 型 MOSFET 為例，在柵極沒有加壓時，溝道處於關斷狀態。此時，漏極電壓為 10 mV，不論是長溝道還是短溝道，電子在跨越柵極時都需要更高的能量，像翻越一座高山。

而當漏極電壓增大到 1 V 時，短溝道的電子跨越柵極所需的能量大大減少，讓晶體管直接從關斷變成導通。以往橫亙的高山被削平，電子的流動再也不受限制了。

到了這個地步，晶體管還能再更小嗎？

加州大學伯克利分校的胡正明教授給出了肯定的答案，他在世紀之交提出 FinFET（鰭式場效應晶體管）的概念，進一步激發了晶體管的潛能。

通過將溝道向上延展，變成一個類似魚鰭的形狀，使得柵極可以從三個方向對溝道施加電場，從而保證即便溝道長度很小，也能有效地控制開關。從 22 nm 以下的晶體管器件開始，基本上都採用了這一結構。

隨着結構的變化以及工藝的進步，今天，工藝名稱已經不再和柵極長度完全對應。比如台積電的 7 nm 工藝製造的晶體管，柵極長度約 24 nm，每平方毫米芯片上排布着約九千六百五十萬個晶體管。

同時由於電感和電阻的增加，令縮小尺寸帶來的開關速度提升愈發不明顯，算力的提升主要依靠增加單位面積的晶體管數量，這就是為什麼你的 CPU 主頻和十年前的沒有什麼差別，但核心數量則一直在增加。這也從另一個方面要求晶體管尺寸做得更小。

除了提高運算速度，我們也希望 CPU 裏的晶體管在完成每一個運算的同時，消耗儘可能少的電。

電都花在哪兒了呢？

觀察晶體管的開關方式，可以發現能量主要消耗在兩個地方：一個是開關時對柵極 G 電容的充放電；另一個是導通時源極 S 和漏極 D 之間的電阻消耗，以及關斷期間的漏電流。

其中柵極 G 上的開關損耗可以表示為下面這道公式。能量損耗與電容、開關頻率和工作電壓的平方成正比，在必須提高開關速度且不能改變工作電壓的情況下，只能儘量減小電容來降低損耗。

於是，縮小尺寸就成為提高運算速度和降低功耗的不二法門。

為了實現變小變快的願景，過去幾十年間，全世界最頂尖的工程師在這個無法直接用肉眼觀測的世界裏不斷鑽研。除了以上提到的速度和功耗，加工成本、導線互聯的延遲和損耗、散熱效率等眾多複雜的原因也在共同影響着晶體管的發展。

今天，一塊不到一平方釐米的空間，容納着數以百億計的晶體管，也集成着人類的羣體智慧，不斷改變你的生活方式。

-

封面圖來源：

Tomizak, Flickr.