花甲之年不简单:晶体管60年发展之路(三)

如今,独立晶体管看起来就像一个时代错误,尽管它仍然还在许多广泛需要的行业中应用。价格范围从零到应用于某些领域的特殊部件的几十美元不等。与值得尊敬的CK-722相比,相同尺寸的IC采用了数亿个晶体管,每一个晶体管的造价才几美分。

颇为讽刺的是,一些困扰真空管、并几乎导致真空管死亡的问题也出现在晶体管的产品中。1946年,全世界计算机所消耗的能量大约是几百千瓦。如今单台服务器的功耗到需要好几兆瓦。2005年时,全球服务器所需的能耗相当于14座十亿瓦特发电站所生产的能量。而Google设在美国俄勒冈州达勒斯市的数据中心就建了一座四层楼高的冷却塔。

晶体管现在有很多种类,其中场效应晶体管(field-effect transistor,FET)最为重要。1960年,John Atalla在Shockley的研究基础上发明了场效应晶体管,这是一个新鲜的事物。RCA(美国无线电公司)推出了使用FET的逻辑芯片,但是因为速度很慢,所以仅限于在某些低功耗应用的特殊领域里使用。每个人都知道这种技术永远也取代不了更为有用的结式晶体管。

当然,现在FET是数字革命的技术。速度的问题已经解决,超低功耗要求也使得在单片IC上集成数百万个晶体管成为可能。

一个三极电子管收音机不会产生很多热量,但是在一台计算机中集成1.8万个晶体管,空气调节装置就会出现大问题。这对于所有种类的晶体管来说都存在这个问题:单个IC上的数亿个超低功率FET会因为过热而有损坏。因此讽刺的事再次出现,供应商正在使用多核心之类的技术来获得更好的MIP/毫瓦比率。

同时,摩尔斯式电码使第一个真正的电子系统——电报机更为完善。Rudolf Clausius整理了热力学第二法典的基本理念,并折磨着整个电子学的历史。多核心也许是、也许不是今天MIPs/毫瓦问题的解决方案,但是把大量低功耗CPU集成到单核心上以及Clasius定律再次揭示了问题的本质。我猜想,低熵技术将在晶体管诞生100周年纪念之前就会被发明出来,而这也将解决长久困扰业界的热调节问题。

晶体管诞生25周年时发行的首日封

◎晶体管电子学的发展里程碑(摘自《贝尔实验室》杂志,1975年1月,P74)

1948 - 点接触式晶体管
1950 - 单晶锗
1951 - 生长结晶体管
1952 - 合金结晶体管
1952 - 区域熔化和提炼
1952 - 单晶硅片
1955 - 扩散底层晶体管
1957 - 氧化物掩蔽
1960 - 平面型晶体管
1960 - 金属氧化物半导体晶体管
1960 - 外延型晶体管
1961 - 集成电路

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