電晶體發明至今已一甲子,而它被用於矽晶片中也已經快要50年。這個在資訊時代被稱為「神經細胞」的開關裝置,現今也已展現出屬於它的「中年危機」。

 
電晶體這種電子零件,隨著時間前進,它的運作速度也更快、體積更小、價格更低廉,但很快地,它將面臨物理上的限制,無法再更小的那天即將到來。

一但晶片製造商無法再以更小的體積將它放入同樣尺寸的矽晶圓中,近年我們所體驗到的電腦效能大幅提升與成本大幅下降也將放緩,而這帶動數位革命與現代經濟火車頭,或許也將停擺。

Intel (INTL-US) 合夥創辦人Gordon Moore早在1965年就預言,晶片上的電晶體將以每兩年 1倍的速度縮小,也將很快面臨物理上的極限。這個說法被稱為「Moore 定律」,也是晶片產業努力想要避免的事。

Moore 說,「我認為電晶體還能再跑個10年,在那之後,事情看來會很困難。不過,在過去也經常遇到這樣的case。」

為了預防晶片上再也擠不下更多電晶體的那天來臨,各晶片廠都耗費數十億鉅資來規畫利用電晶體的新方式,意欲以不同的方式發揮更強大的功能。

全球最大的半導體公司 Intel預測,如果要讓Moore定律有機會存在到2020年之後,就需要許多「高度理論性」的應用方式,如量子電腦光學開關等,來助電晶體延續其生命。

Intel 技術長Justin Rattner說,「與數十年前相比,現在的產業變化不但非常快,而且腳步還在加快,因為我們在同一時期遇到數種不同的物理限制。我們已經為此花了很多時間。」

電晶體可用於燈光的開關,或是在晶片內部以開關方式產生 0與 1的訊號,來使電腦儲存或計算資料。

電晶體是由William Shockley、John Bardeen與Walter Brattain 三位美國科學家,在AT&T (T-US)Bell實驗室嘗試為電話聲音增幅的實驗中發明出來的,他們並因此獲得1956年的諾貝爾物理獎。

在1947年12月16日,Bardeen 與Brattain發明了世界第一枚電晶體。 1個月後,也就是1948年 1月23日,另一位研究組員Shockley發明了另種型式的電晶體,這一種後來被普遍採用,因為它比較容易製造。

電晶體不斷縮小的體積和低耗電量,使它成為過去用來放大電子信號、轉換電路電流的真空管的最佳替代品。AT&T也將它當做是電話交換器的替代品。

電晶體後來被用於攜帶式的收音機和其他電子產品中,而目前最重要的用途是用於積體電路,這又是另個榮獲諾貝爾獎的發明,也是現今微處理器、記憶晶片和其他半導體裝置的生產基礎。

在1950年代,分別由Texas Instruments (TXN-US)的Jack Kilby和之後成為 Intel合夥創辦人的Robert Noyce發明了積體電路後,創新的步調就加快了。

電腦的心臟-微處理器-內的電晶體數量,從1970年代的幾千個,到今日的將近10億個,也讓電腦擁有了過去根本難以想像的運算速度。

「我想電晶體還會存在好一段時間,」 Moore說,「現在已經有了一些未來將如何取代電晶體的想法,也不能說它一定不會發生,但目前還沒有出現任何可以真正取代電晶體的產品。」

不過在電晶體的近一步應用方面,還有許多問題待解決。

其中一個問題是,如何不讓日益輕薄的晶片在轉換時流失太多效能,這使晶片廠必須尋找新的材料與方式來改善此問題。

今年稍早,Intel 與IBM (IBM-US)分別宣布了發現新的增加電晶體效能的方式,其中包括將使用了40年以上的絕緣體二氧化矽給替換掉。由於電晶體太薄,而將另些金屬元件置於一稱為gate的部件-電晶體的開關-與其電解質之中,來幫助提升效能和節省能源

晶片廠還在追求其他更新更好的方式,來杜絕電力流失和其他的問題。但到目前為止,還沒有人搶得先機。

「除了 Moore定律之外,更多人揣測電晶體什麼時候會壽終正寢-可是他們都錯了。」Sun Microsystems (SUNW-US)技術長 Greg Papadopoulos說,「據觀察,電晶體產業還很強勁,而且這跟電子經濟有關…要跟經濟投資循環對賭是很冒險的一件事。」

 

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