微处理器：50岁了！

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以下是使 4004 成为可能的材料化学和电气工程方面的历史性成就、导致今天计算机的后续进步以及可能导致未来设备的尖端技术。

让我们来看看材料化学和电气工程方面的历史性成就，这些成就造就了4004，随后的进步造就了今天的计算机，以及可能造就未来设备的尖端技术。

真空管

基于真空管的 ENIAC占据了整个房间。来源： US Army

早期的计算机使用真空管作为数字逻辑计算的开关。这些真空管由玻璃管内的金属电极组成，可以打开或关闭流过它们的电流，以产生必要的 1 和 0 状态。真空管体积大、耗电且容易发生故障。美国第一台电子计算机，即电子数值积分器和计算机 (ENIAC)，于 1945 年启动。它有房间大小，使用了 17,000 多个真空管，它太大了，必须必须为每个新的计算系列重新配置其接线。

晶体管的诞生

第一个晶体管（此处显示的是复制品）于 1947 年在 AT&T 的贝尔实验室制造。图片来源：Mark Richards/计算机历史博物馆

物理学家 Julius Edgar Lilienfeld 在 1926 年提出了一种替代真空管的方法：晶体管。当时他无法建造一个，因为研究人员无法获得作为晶体管核心的高质量半导体。晶体管通常使用三个金属电极和一个半导体通道。栅电极提供足够的电能以在导电和绝缘状态之间切换通道。当导电时，电流可以在源电极和漏电极之间流动。像真空管一样，这些设备可以通过打开和关闭电流在 1 和 0 之间切换，并且可以放大电信号。但它们比真空管更紧凑、更坚固、更节能。第一个晶体管是 1947 年由 AT&T 贝尔实验室的一个团队制造的。它是一小块锗，上面有两个由塑料楔固定的金电极。施加到一个电极上的电压可以调制通过另一个电极的电流。

硅晶体管

第一个商用硅晶体管是德州仪器 905 型。图片来源：Mark Richards/计算机历史博物馆

硅晶体管比锗制成的晶体管更可靠，性能也更好——尤其是在军事应用所需的高温下，这是计算的一些主要早期用途。德州仪器 (TI) 于 1954 年宣布已想出一种处理硅的方法，到 1960 年，硅已成为主要的晶体管材料。就像这里展示的德州仪器晶体管（第一个商业销售的此类硅器件）一样，早期的晶体管是单独的组件，装在带有尾线连接器的金属罐中。工程师利用这些单独的数字开关构建电路。

集成电路

德州仪器的第一个固体电路芯片使用flying gold连接组件。图片来源：Mark Richards/计算机历史博物馆

第一个集成电路将多个晶体管聚集在一块锗上，使用了所谓的flying gold。德州仪器的 Jack Kilby 于 1958 年建造了该电路。业界很快将用在同一平面内包含电触点的扁平集成电路取代这种设计。

金属氧化物半导体晶体管

第一个商用金属氧化物半导体集成电路使用了 120 个晶体管。图片来源：通用微电子公司 (GMe)/计算机历史博物馆

我们今天所知的微处理器的另一个关键成分——也是英特尔第一款微处理器的关键要素——是金属氧化物半导体晶体管配方。这些晶体管由导电金属接触层、绝缘氧化物和仅使用一种电荷载流子的半导体组成：电子或称为空穴的带正电物质。早期的晶体管携带两种电荷并且速度更快。但是金属氧化物半导体晶体管使用更少的能量并且可以积极地小型化。

摩尔定律

英特尔联合创始人戈登摩尔

1965 年，时任飞兆半导体的英特尔联合创始人戈登摩尔预测，集成电路上的组件数量将在 10 年内每年翻一番。1975 年，他修改了他的法律，规定组件每两年翻一番。在随后的几十年中，半导体制造领域的持续创新使该行业能够符合这一预测。自 Intel 4004 以来的 50 年中，计算机芯片变得越来越复杂，并且由晶体管和其他组件密集排列——而尺寸、成本或能源使用却没有相应增加。

加宽晶圆

图片来源：Mark Richards/计算机历史博物馆

单晶硅锭被切成薄片，称为晶片。

图片来源：Saperaud/维基百科

硅晶片的尺寸增加了。此处显示的是 51 毫米、100 毫米、150 毫米和 200 毫米版本。

为了制造今天的集成电路，工程师们从称为晶片的晶体硅薄片开始，然后在其上反复沉积材料和蚀刻特征。他们还将其他元素添加到硅中以改变其电气特性，这一过程称为掺杂。在这些步骤之后，机器将晶片切割成计算机芯片。半导体行业降低成本的一个关键方法是使用越来越大的晶圆，在不增加工艺步骤的情况下一次制造越来越多的芯片。早期的晶圆只有几厘米大小；现在的芯片大多是在 300 毫米圆盘上制造的。晶片是从熔融溶液中生长的纯硅单晶锭中切割出来的。

铜互 连（Copper interconnects）

来源：IBM

IBM 于 1997 年推出了图案化铜互连。

就像晶体管对微处理器一样重要，如果没有连接这些开关的细小金属线，它们将做不出来。当这些所谓的互连高度导电且不发热时，电路会更快、更高效。互连最初是由铝制成的。IBM 于 1997 年在其芯片中引入了导电性更高的铜线，之后制定了防止铜离子迁移到周围硅的修复方法。

应变 硅（Strained silicon）

图片来源：Fritzchens Fritz/维基百科

Intel 的 Pentium 4 使用基于应变硅的速度更快的晶体管。

通过在电路中塞入越来越多、越来越小的晶体管，半导体行业取得了很大进展。但提高芯片性能的另一种方法是使单个开关更快。2002 年，英特尔宣布它可以通过将其晶体管的核心——晶体管导通时电流流过的硅通道——置于机械应变下来实现这一目标。通过在通道附近添加材料，导致硅晶体拉伸或压缩约 1%，英特尔可以增加通过晶体管的电流并使电路更快。

鳍式场效应晶体管（FinFETs）

来源：Ascannio/Shutterstock

在 FinFET 中，鳍状硅通道从表面伸出，几乎可以完全被绝缘氧化层包围。

随着晶体管变得越来越小，芯片制造商碰壁了。在较小的晶体管中，完全关闭电流更具挑战性，因此本应关闭的晶体管仍然会泄漏电流并浪费电力。这个问题导致业界转向一种新的晶体管设计，该设计将绝缘材料包裹在从晶片表面伸出的硅通道的四个侧面中的三个侧面。这些器件被称为 FinFET 或三栅极晶体管，由加州大学伯克利分校的研究人员于 1990 年代后期开发；英特尔于 2011 年率先在商业上采用了它们。

环栅晶体管（Gate-all-around transistors）

来源：IBM

这张约 70 纳米宽的显微镜图像显示了一个 IBM 晶体管，其硅通道完全被绝缘体包围。

半导体行业继续小型化芯片组件的一个可能途径是环栅晶体管，它在 FinFET 发展之后进入下一个逻辑步骤，将硅通道完全包裹在绝缘材料中以进一步防止泄漏。今年，IBM 展示了基于该技术的高度小型化芯片。

层状纳米材 料（Layered nanomaterials）

图片来源：Felice Frankel/麻省理工学院

这张显微镜图像显示了由碳纳米管制成的微处理器的一部分。

随着硅晶体管变得更小变得越来越难，一些研究人员和公司正在完全寻找其他材料。一种替代方法是制造由碳纳米管等纳米材料制成的堆叠电路组成的层状处理器。碳纳米管、石墨烯和其他新型半导体材料可以在比硅低得多的温度下进行加工。这些较低的温度将使工程师能够将电路堆叠成塔，而不会损坏先前的层。这些堆叠电路塔将在给定的 2D 足迹中包含更多的计算能力。研究人员在 2013 年展示了第一台基于碳纳米管的完整计算机，并证明其功能类似于英特尔 4004。工程师现在正在研究如何商业化制造这些电路。

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