芯片上的晶体管有多小？

在最先进的芯片中，晶体管像病毒一样小，也就是大约 50-100 纳米（一纳米是百万分之一毫米）。我们将在本文中看到晶体管的尺寸是如何从 1959 年集成电路 (IC) 的发明发展到今天的。

摩尔定律，一个自我实现的预言

1965 年，英特尔创始人戈登·摩尔 (Gordon Moore) 发表了一篇著名的文章，多年来已成为预言：集成到芯片中的晶体管数量每两年翻一番。这篇文章是电子学史上真正的瑰宝，可能是该科学技术分支后续发展中最具影响力的文章之一。下图显示了摩尔在他的著名文章中。

数学的这种增长有一个名字：指数定律。从那时起，IC 或芯片中晶体管数量的增加（它们是两种常用的称呼方式）遵循了这一趋势，这在电子世界中被称为摩尔定律。

这一预测成为微电子行业的一种“自我实现的预言”，厂商年年坚持实现。当然，这不仅仅是实现预测，而是寻求（并发现）对行业几乎具有“神圣使命”的趋势的好处。当你阅读摩尔的文章时，你会惊讶地发现，他在文章中所做的预测不仅成真，而且半个世纪以来年复一年地做到了。在任何其他工业部门中，要找到像本次这样确定的预测“追逐”并不容易。

因此，自 1950 年代后期推出以来，IC 在接下来的几年中经历了前所未有的增长，最初是由美国太空计划和军事工业推动的。越来越多的晶体管被制造出来。如果第一个 IC 集成了几十个晶体管，那么几年后市场上就有数千个 IC，而今天，有数十亿个晶体管化 IC。

由于其制造工艺经历了巨大的发展，IC 中晶体管的数量可以显着增加。微电子采用的工艺部分让人想起汽车的大规模生产，因此可以在单个硅半导体晶片上同时复制大量相同的完整电路。该工艺主要包括在硅表面上打印多个几何图案，这允许定义组成它的每个设备，然后选择性地沉积各种绝缘和导电材料，以便正确地互连不同的组件。借助 IC 制造中真正的瓶颈技术：光刻技术，所有这一切都成为可能。

摩尔定律的真正含义是什么？

为了更好地理解摩尔定律的含义，想象读者回到过去。到 1971 年，准备在可容纳 2,300 人的礼堂听一场歌剧，其晶体管数量与英特尔当年制造的第一个微处理器 4004 完全相同。如果该礼堂的容量按照摩尔定律，但如果不改变它在 1982 年占用和恢复的空间，那么 134,000 人将聚集在同一个场地——一个大型足球场的容量和英特尔 286 处理器的容量——。多年后，在 2000 年，礼堂能够容纳东京的全部人口——3700 万人，与最新版本的英特尔奔腾 III 处理器中的晶体管数量相同——；如果试镜是在 2011 年举行的，它会遇到 1。30亿人——中国的全部人口或者英特尔酷睿i7处理器版本之一的晶体管数量——如果2019年参加的话，观众人数将达到74亿人，也就是整个人口行星 - 以及内置于 IBM z13 存储控制器中的晶体管数量。最后，如果这次试镜在 2021 年举行，容量将相当于两个地球，因为它必须聚集 150 亿人，即 Bionic A 15 处理器的晶体管数量（配备新的 iPhone 13）。如下图所示。整个地球的人口 - 以及内置在 IBM z13 存储控制器中的晶体管数量。最后，如果这次试镜在 2021 年举行，容量将相当于两个地球，因为它必须聚集 150 亿人，即 Bionic A 15 处理器的晶体管数量（配备新的 iPhone 13）。如下图所示。整个地球的人口 - 以及内置在 IBM z13 存储控制器中的晶体管数量。最后，如果这次试镜在 2021 年举行，容量将相当于两个地球，因为它必须聚集 150 亿人，即 Bionic A 15 处理器的晶体管数量（配备新的 iPhone 13）。

严格来说，芯片面积多年来也略有增加，但比例要小得多。例如，Intel 4004 占用 12mm²（3mm x 4mm），而 Bionic A 15 的表面积为 107.7mm²（8.58mm x 12.55mm），因此晶体管的比例乘以 6870 .000，而面积为 9。

需要使晶体管越来越小

在芯片上集成越来越多的晶体管意味着减小其尺寸，这带来了优势，但代价是增加了制造过程的复杂性。晶体管越小，芯片本身就越小，晶圆上可以安装的芯片就越多。同时，无论从每个晶圆上可以获得多少芯片，处理晶圆的成本都保持大致相同。这意味着减小晶体管的尺寸将导致更便宜的芯片。或者，芯片可以保持相同的尺寸，以便内部有更多的组件。这使它更强大，但并不昂贵。最重要的是，减小晶体管的尺寸可以在不增加功耗的情况下提高其性能。也就是说，芯片制造商有强烈的动机来减小晶体管的尺寸。那' 这正是他们过去几十年一直在做的事情，其中芯片上的晶体管数量从数千增加到数十亿。对于晶体管来说，这是一个非常小的尺寸。下图显示了一个这样的晶体管。

要理解这个小尺寸意味着什么，想象一下我们扩大集成晶体管的芯片的尺寸，直到它与马德里社区所占据的面积（8,000 平方公里）相似。在这个规模上，每个晶体管将占据或面积。5平方米，相当于一台40英寸直径电视的屏幕面积。

结论

普渡大学教授 Mark Lundstrom 于 1970 年代开始在芯片行业工作，他在 2003 年为《科学》杂志撰写了一篇文章，预测摩尔定律将在 2015 年达到其物理极限。Lundstrom 说，在他的职业生涯中，他曾多次想过， “嗯，结束了。” 他记得在 1975 年参加了他的第一次芯片制造会议。用他的话来说，“有一个叫 Gordon Moore 的人发表了演讲。他在技术界很有名，但没人知道他是谁，我记得他的演讲。摩尔说：“很快我们就可以在一个芯片上放置 10,000 个晶体管。一个芯片上有 10,000 个晶体管可以做什么？”

今天，市场上有 150 亿个晶体管。您的设计师和制造商可以用它们做什么？