藏在電子設(shè)備里的“魔力石頭”：半導(dǎo)體如何掌控現(xiàn)代文明？

清晨叫醒你的智能手環(huán)，通勤時(shí)幫你導(dǎo)航的手機(jī)，還有廚房里把飯煮得剛好的電飯煲——這些天天用的東西里，都藏著同一個(gè)身影。它不是什么神秘黑科技，也不是虛構(gòu)的魔法，是真實(shí)存在的材料，我們給它起名叫作“電子世界里的魔力石頭”，幾乎所有現(xiàn)代設(shè)備的核心都靠它運(yùn)轉(zhuǎn)。這塊看似普通的材料，像文明的神經(jīng)中樞一樣，悄悄帶動(dòng)著我們生活的每一次變化。今天咱們就揭開(kāi)它的面紗，看看這塊“石頭”怎么從實(shí)驗(yàn)室走到全世界，成為了改變?nèi)祟?lèi)文明的關(guān)鍵力量。

前世：神秘的“兩面派”物質(zhì)

要說(shuō)半導(dǎo)體是什么，我們得先從材料世界的“二元對(duì)立”說(shuō)起。在半導(dǎo)體登上歷史舞臺(tái)之前，物質(zhì)世界涇渭分明：像銅、鐵這類(lèi)能順暢導(dǎo)電的，被稱(chēng)為“導(dǎo)體”，好比暢通無(wú)阻的高速公路；而像塑料、橡膠這類(lèi)完全阻擋電流的，則是“絕緣體”，如同密不透風(fēng)的圍墻。

絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體的能帶示意圖

（圖片來(lái)源：《半導(dǎo)體物理學(xué)》）

半導(dǎo)體，恰恰是介于二者之間的“兩面派”。更神奇的是，它能像門(mén)閂一樣控制電流的開(kāi)關(guān)。它的導(dǎo)電性并非一成不變——不像導(dǎo)體那樣“死心塌地”，也不像絕緣體那樣“頑固不化”，而是會(huì)受到溫度、光照，特別是摻入微量雜質(zhì)的影響。

早在19世紀(jì)，科學(xué)家就注意到了硫化鉛、氧化亞銅等材料的這種“古怪”的行為。但在當(dāng)時(shí)，它們僅僅被用作“檢波器”，安置在早期收音機(jī)中捕捉微弱的無(wú)線電信號(hào)。此時(shí)的它就像一顆被埋在沙子里的小寶石，沒(méi)人發(fā)現(xiàn)其真正的價(jià)值。

直到20世紀(jì)三四十年代，量子力學(xué)的興起，才真正揭開(kāi)了半導(dǎo)體導(dǎo)電性的謎團(tuán)。它的秘密藏在內(nèi)部那精巧的能帶結(jié)構(gòu)里。我們不妨將其想象成一座層次分明的“電子停車(chē)場(chǎng)”：價(jià)帶就像停滿了電子的“滿車(chē)庫(kù)”，電子們緊密相挨，幾乎沒(méi)有活動(dòng)空間；而導(dǎo)帶則是空蕩的“高速車(chē)道”，只有獲得足夠能量的電子，才能越過(guò)能隙，從“車(chē)庫(kù)”躍上“車(chē)道”，化身為自由的電荷，參與電流的流動(dòng)。當(dāng)電子離開(kāi)原本的位置后，車(chē)庫(kù)里便出現(xiàn)一個(gè)空位——這就是“空穴”。它會(huì)吸引周?chē)碾娮硬粩嗵钛a(bǔ)，從而讓“空穴”看似在反方向移動(dòng)。

圖以電子停車(chē)場(chǎng)類(lèi)比，展示價(jià)帶、導(dǎo)帶中電子與空穴的行為

（圖片來(lái)源：作者繪制）

于是，在半導(dǎo)體里面，電子和空穴會(huì)一起運(yùn)動(dòng)形成特別的狀態(tài)。這種雙重導(dǎo)電的方式，讓半導(dǎo)體有了既不像導(dǎo)體也不像絕緣體的獨(dú)特電學(xué)性質(zhì)，也為后來(lái)的電子革命留下了伏筆。不過(guò)那時(shí)候，它還只是實(shí)驗(yàn)室里讓人感興趣的“科學(xué)寶貝”，能改變世界的巨大潛力還在等著被人發(fā)現(xiàn)。

誕生：改變世界的“點(diǎn)金石”——晶體管

在半導(dǎo)體真正“發(fā)光”之前，電子設(shè)備的核心是笨重的“真空管”。且看1946年問(wèn)世的第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)ENIAC：它使用了1.8萬(wàn)只真空管，占地170平方米，活像一間電子“溫室”，功耗高達(dá)150千瓦，每次啟動(dòng)都足以讓整個(gè)街區(qū)的燈光為之一暗。

1946年問(wèn)世的第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī) ENIAC

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

1947年，變革悄悄開(kāi)始了。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室里，巴丁、布拉頓和肖克利三位科學(xué)家做出了世界上第一個(gè)晶體管。這個(gè)發(fā)明后來(lái)被稱(chēng)作“20 世紀(jì)最偉大的發(fā)明”，不光讓他們拿到了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，也讓人類(lèi)正式走進(jìn)了信息時(shí)代。

真空管（左）和晶體管（右）

（圖片來(lái)源：新視界）

你可能會(huì)問(wèn)：晶體管究竟是什么？它有何魔力？

我們可以將它比作一個(gè)精準(zhǔn)的微型水龍頭：只需用極小的力氣（微弱的電流或電壓）擰動(dòng)閥門(mén)，就能控制遠(yuǎn)大于此的“水流”（強(qiáng)大的輸出電流）。這就是它的“開(kāi)關(guān)功能”，對(duì)應(yīng)著計(jì)算機(jī)世界最底層的“0”（關(guān)）與“1”（開(kāi)）。同時(shí)，它還能扮演“擴(kuò)音器”的角色，將微弱的電信號(hào)放大成千上萬(wàn)倍，讓我們能清晰地通電話、聽(tīng)廣播、看視頻。

晶體管的出現(xiàn)是革命性的。它憑借小巧、可靠、省電、長(zhǎng)壽的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，將笨重的真空管“趕下了臺(tái)”。從此，人們得以制造出便攜的收音機(jī)、輕便的計(jì)算機(jī)。半導(dǎo)體，不再只是一塊“特殊材料”，而是撐起了一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)，真正推開(kāi)了信息時(shí)代的大門(mén)。

今生：從晶體管到芯片——一場(chǎng)集成革命

單個(gè)晶體管雖然小巧，但要想建造復(fù)雜的計(jì)算機(jī)，需要成千上萬(wàn)個(gè)晶體管相互連接，這依然是項(xiàng)龐大的工程。

1958年有了轉(zhuǎn)折，科學(xué)家基爾比等人想了個(gè)大膽的主意：能不能把多個(gè)晶體管、電阻、電容這些元件，還有它們之間的連接線路，全都集成在同一塊半導(dǎo)體晶片上制造呢？這個(gè)聰明想法催生出了“集成電路”，就是咱們常說(shuō)的“芯片”。它從根上解決了元件間連線復(fù)雜的問(wèn)題，也讓電子元件從“分立”變成了“集成”，從此開(kāi)啟了微電子時(shí)代。

此后，半導(dǎo)體技術(shù)就像坐上了“火箭”，沿著“摩爾定律”的軌跡狂飆突進(jìn)。這條定律是英特爾創(chuàng)始人戈登?摩爾提出的：集成電路上能裝的元器件數(shù)量，約每18-24個(gè)月就會(huì)翻一倍，性能也跟著提升一倍。

摩爾定律

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

這意味著尺寸上，早期芯片元器件以微米為單位，如今已縮小至納米級(jí)，相當(dāng)于將一根頭發(fā)絲拆分成數(shù)萬(wàn)份；性能上，從最初只能容納幾個(gè)晶體管到現(xiàn)在指甲蓋大小的芯片可集成數(shù)百億個(gè)，運(yùn)算速度較早期計(jì)算機(jī)提升上億倍；成本上，單個(gè)晶體管的平均價(jià)格急劇下降，這也使得電子設(shè)備可以進(jìn)入尋常百姓家。而我們今天的數(shù)字世界，就是建立在集成電路這塊“魔力基石”之上的。

應(yīng)用：無(wú)處不在的“數(shù)字心臟”

如今的半導(dǎo)體芯片，早已不再是藏在實(shí)驗(yàn)室里的精密元件，而是像空氣般無(wú)孔不入地融入生活，成為萬(wàn)千設(shè)備跳動(dòng)的“數(shù)字心臟”。

在計(jì)算和通信領(lǐng)域，芯片一直是核心。CPU是計(jì)算機(jī)和手機(jī)的“大腦”，管著數(shù)據(jù)處理和指令執(zhí)行；內(nèi)存和硬盤(pán)像“智能倉(cāng)庫(kù)”，存著照片、文檔這些數(shù)據(jù)，要用的時(shí)候就能??；通信芯片則是連接世界的“橋梁”，支持Wi-Fi上網(wǎng)、5G視頻通話這些功能。

日常生活里，電視、冰箱、空調(diào)、智能手表這些設(shè)備也都離不開(kāi)芯片。電視能顯示清晰畫(huà)面，冰箱能精準(zhǔn)控溫，智能手表能監(jiān)測(cè)健康，這些功能都要靠芯片精準(zhǔn)控制。

在更廣闊的工業(yè)與能源領(lǐng)域，芯片同樣發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。工業(yè)機(jī)器人依靠它完成毫厘不差的操作；電網(wǎng)的智能系統(tǒng)通過(guò)它調(diào)節(jié)電流，避免斷電風(fēng)險(xiǎn)；新能源汽車(chē)中的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，也仰賴(lài)多個(gè)芯片協(xié)同工作，實(shí)時(shí)處理路況與安全信息。

往未來(lái)看，不管是人工智能的深度學(xué)習(xí)、量子計(jì)算的潛力，還是物聯(lián)網(wǎng)的萬(wàn)物互聯(lián)，都得靠半導(dǎo)體芯片這顆“數(shù)字心臟”提供動(dòng)力。

挑戰(zhàn)與未來(lái)：“后摩爾定律”時(shí)代的探索

如今，我們正面臨一個(gè)核心挑戰(zhàn)：摩爾定律已逐漸逼近其物理極限。當(dāng)晶體管尺寸縮小至幾個(gè)納米時(shí)，微觀世界的“量子效應(yīng)”便會(huì)打破傳統(tǒng)物理規(guī)律：電子會(huì)像掌握了“穿墻術(shù)”一般，發(fā)生“量子隧穿效應(yīng)”，不受控制地穿過(guò)本應(yīng)隔絕的壁壘，導(dǎo)致晶體管開(kāi)關(guān)失靈；與此同時(shí)，芯片體積越小，單位面積內(nèi)的元器件密度越高，熱量越難散發(fā)，輕則影響性能，重則可能因過(guò)熱直接損壞。這些問(wèn)題都成了阻礙半導(dǎo)體繼續(xù)“變小變強(qiáng)”的攔路虎。

為了突破這一困境，科學(xué)家和工程師們正在多條路徑上尋求突破。

材料領(lǐng)域里，人們?cè)谡冶裙韪玫摹疤娲贰保热缣技{米管和石墨烯。這些新材料不僅比硅薄很多，導(dǎo)電能力更強(qiáng)，散熱也更快，說(shuō)不定能讓芯片性能有新的突破。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，晶體管從2D平面轉(zhuǎn)向了3D立體，比如FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）像立起來(lái)的“魚(yú)鰭”，能更精準(zhǔn)控制電流走向；更先進(jìn)的GAA（環(huán)繞柵極晶體管）則用柵極把導(dǎo)電溝道“四面圍住”，像給電子筑了道結(jié)實(shí)的圍欄，大大減少了電流泄漏。

晶體管結(jié)構(gòu)改革

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]）

而在技術(shù)范式上，全新的思路正為半導(dǎo)體打開(kāi)新空間。Chiplet（芯粒）技術(shù)像搭樂(lè)高積木一樣，將不同功能、不同工藝的芯片靈活組合，突破單晶片面積的限制，達(dá)到了提升性能并降低成本的效果；量子芯片則跳出傳統(tǒng)二進(jìn)制的框架，用“量子比特”的疊加態(tài)進(jìn)行運(yùn)算，理論運(yùn)算速度可達(dá)現(xiàn)有芯片的上億倍，但目前處于早期研究階段；光子芯片則用光信號(hào)替代電信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，速度更快，能耗更低。

結(jié)語(yǔ)

半導(dǎo)體的故事，是一段從“微觀世界”改變“宏觀文明”的傳奇。它從實(shí)驗(yàn)室里一塊“怪脾氣”的材料，成長(zhǎng)為信息時(shí)代的“基石”，引領(lǐng)人類(lèi)從“機(jī)械時(shí)代”邁入了“數(shù)字時(shí)代”。

未來(lái)，雖然半導(dǎo)體的發(fā)展之路依然挑戰(zhàn)重重，但人類(lèi)對(duì)更高效計(jì)算、更智能生活的追求永不停歇。這塊小小的“魔力石頭”，必將在未來(lái)書(shū)寫(xiě)新的篇章，幫助我們實(shí)現(xiàn)那些今日尚不敢想象的奇跡。

而我們，正是這段偉大傳奇的見(jiàn)證者，更是參與者。

參考文獻(xiàn)：

[1]Li, S. (2022). From Moore’s Law to Function Density Law. In: Li, S. (eds) MicroSystem Based on SiP Technology. Springer, Singapore.

[2] A. Hikavyy, I. Zyulkov, H. Mertens, L. Witters, R. Loo, N. Horiguchi. Use of high order precursors for manufacturing gate all around devices. Materials Science in Semiconductor Processing 70, 24-29 (2017).

出品：科普中國(guó)

作者：胡勇（東北大學(xué)長(zhǎng)聘教授）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽