英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon Moore)提出了最初的觀察結果，后來演變成摩爾定律。查看更多 電腦硬件圖片.

　　賈斯汀·沙利文/蓋蒂圖片社在20世紀，發(fā)明家創(chuàng)造了我們經(jīng)常依賴的設備。可以說，最重要的發(fā)明之一是 晶體管.該晶體管由貝爾實驗室的工程師于1947年開發(fā)，其最初目的是放大聲音。 電話 線。晶體管取代了一種舊技術——真空管。這些管子不可靠，它們很笨重，而且也會產(chǎn)生大量熱量。

　　第一個晶體管是一個 點接觸晶體管 它的高度為半英寸(1.27厘米)。晶體管不是很強大，但物理學家認識到了該設備的潛力。不久，物理學家和工程師開始將晶體管整合到各種電子設備中。隨著時間的流逝，他們還學會了如何使晶體管更小，更高效。

　　1958年，工程師將兩個晶體管連接到硅晶體上，并創(chuàng)造了世界上第一個 集成電路 [資料來源： 英特爾].反過來，集成電路為集成電路的發(fā)展鋪平了道路。 微處理器.如果你把計算機比作人類，微處理器就是大腦。它進行計算并處理數(shù)據(jù)。

　　到1960年代，計算機科學家(也是英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人)戈登·摩爾(Gordon Moore)提出了一個有趣的觀察。他注意到，每隔12個月，工程師就能將一平方英寸硅片上的晶體管數(shù)量增加一倍。像發(fā)條一樣，工程師們正在尋找減小晶體管尺寸的方法。正是因為這些小晶體管，我們才有了像這樣的電子設備。 個人電腦, 智能手機 和 MP3播放器.如果沒有晶體管，我們?nèi)詫⑹褂谜婵展芎蜋C械開關進行計算。

　　自摩爾觀察以來，萎縮趨勢仍在繼續(xù)。但它沒有跟上摩爾觀察到的步伐。如今，晶體管的數(shù)量每24個月翻一番。但這提出了一個有趣的問題：晶體管 - 以及擴展的CPU- 能有多小?1947年，單個晶體管的高度略高于百分之一米。如今，英特爾生產(chǎn)的微處理器的晶體管寬度僅為45納米。納米是十億分之一米!

　　英特爾和其他微處理器制造商已經(jīng)在研究下一代芯片。這些將使用寬度僅為32納米的晶體管。但一些物理學家和工程師認為，在晶體管尺寸方面，我們可能會遇到一些基本的物理限制。

　　晶體管剖析

　　英特爾副總裁湯姆·基爾羅伊(Tom Kilroy)在舊金山的新聞發(fā)布會上手持雙核至強處理器5100。

　　法院桅桿/英特爾通過 蓋蒂圖片社在我們討論晶體管的物理限制之前，了解晶體管是由什么組成的以及它的實際作用會有所幫助?；旧?，晶體管是由一種特殊物質(zhì)制成的開關。對物質(zhì)進行分類的一種方法是查看它的導電能力。這將物質(zhì)分為三類： 導體, 絕緣 子 和 半導體.導體是由具有電子自由空間的原子制成的任何類型的材料。電流可以穿過導電材料 - 金屬往往是良好的導體。絕緣體是由沒有任何可用電子空間的原子組成的物質(zhì)。結果， 電力 不能流過這些材料。陶瓷或玻璃是絕緣體的好例子。

　　半導體 有點不同。它們由具有原子的物質(zhì)組成，原子具有一定的電子空間，但不足以像金屬那樣導電。硅就是這樣一種材料。在某些情況下，硅可以充當導體。在其他情況下，它充當絕緣體。通過調(diào)整這些環(huán)境，可以控制電子的流動。這個簡單的概念是世界上最先進的電子設備的基礎。

　　工程師們發(fā)現(xiàn)，通過 摻雜 - 將某些類型的材料引入硅中，他們可以控制其導電性。他們會從一個名為 酶作用物 并用帶負電或帶正電的材料摻雜它。帶負電的材料具有過量的電子，而帶正電的材料具有過量的 孔 - 電子可以容納的地方。在我們的示例中，我們將考慮一個 N型晶體管，具有帶正電的基板。

　　在此基礎上有三個終端：一個 源一個 排水 和 門.柵極位于源極和漏極之間。它充當一扇門，電壓可以通過它進入硅，但不能返回。柵極有一層薄薄的絕緣體，稱為 氧化層 這可以防止電子通過終端。在我們的示例中，絕緣體位于柵極和帶正電的基板之間。

　　我們示例中的源極和漏極是帶負電荷的端子。當您向柵極施加正電壓時，它會將帶正電的基板中的少數(shù)自由電子吸引到柵極的氧化層。這將創(chuàng)建一個 電子通道 在源極和漏極之間。如果隨后對漏極施加正電壓，電子將從源極通過電子通道流向漏極。如果從柵極移除電壓，基板中的電子不再被柵極吸引，通道被破壞。這意味著當你對柵極充電時，晶體管被切換到“打開”。 當電壓消失時，晶體管“關閉”。

　　電子設備將這種切換解釋為位和字節(jié)形式的信息。這就是您的計算機和其他電子設備處理數(shù)據(jù)的方式。但是由于電子依賴于電子的運動來處理信息，因此它們受到一些特殊的物理定律的約束。我們將在下一節(jié)中仔細研究它們。

　　我是積極的!

　　雖然我們在示例中使用 n 型晶體管，但可以構建 P型晶體管.在這種情況下，您將用帶負電的材料摻雜基板，端子將帶正電荷。

　　納米級晶體管

　　奔騰 4 處理器家族。

　　英特爾/新聞人物通過 蓋蒂圖片社似乎每年都有記者發(fā)表一篇文章，說晶體管盡可能小，摩爾定律已經(jīng)完成。然后工程師們找到創(chuàng)新的方式來制造更小的晶體管，并證明記者是錯的。我們已經(jīng)到了這樣一個地步，許多作家在預測摩爾定律的終結時都很害羞。

　　但確實有一天，我們將達到傳統(tǒng)晶體管的物理極限。那是因為一旦你擊中 納米級，你正在處理的奇異世界 量子力學.在這個世界上，物質(zhì)和能量的行為方式似乎違反直覺。量子物理學與經(jīng)典物理學非常不同——你甚至無法在量子尺度上觀察某些東西而不影響它的行為。

　　一種量子效應是 電子隧穿.電子隧穿有點像隱形傳態(tài)。當材料非常薄時 - 一個納米(約10個原子厚)的厚度 - 電子可以直接穿過它，就好像它根本不存在一樣。電子實際上并沒有在材料上形成一個洞。相反，電子從勢壘的一側消失，并在另一側重新出現(xiàn)。由于柵極旨在控制電子的流動，這是一個問題。如果電子在任何情況下都可以通過門，就沒有辦法控制它們的流動。對于泄漏的晶體管，電子的流動無法控制，因此處理器將無效或根本無法正常工作。

　　隨著像英特爾這樣的公司致力于開發(fā)寬度僅為32納米的晶體管，不久之后氧化層就會變得太薄，無法使用傳統(tǒng)晶體管充當電子的柵極。雖然工程師過去在縮小晶體管的競賽中遇到了一些障礙，但他們總能找到一些方法來解決這個問題并跟上摩爾定律。但是，一旦我們面對物理的基本定律，那些日子可能會結束。

　　工程師可能會發(fā)現(xiàn)一種方法，即使在一納米的厚度下也能制造出有效的絕緣體。但即使他們設法做到這一點，正如我們今天所知的晶體管，他們能走得更遠。畢竟，超越納米尺度的是 原子尺度，您在其中處理的材料只有少數(shù) 原子 在大小上。

　　這并不意味著晶體管會消失。但這可能意味著 微處理器 發(fā)展將放緩并趨于平穩(wěn)。處理能力的提高可能不會繼續(xù)呈指數(shù)級增長。但盡管如此，公司可能會找到提高微處理器效率和性能的方法。

　　微處理器制造商也有可能找到晶體管的替代品。有些人已經(jīng)在研究利用納米尺度量子效應的方法 - 有效地將納米檸檬轉化為納米檸檬水。

　　看起來微處理器制造商只能讓摩爾定律再持續(xù)幾年。但如果你回顧幾十年前的預測，你會看到記者們也提出了同樣的說法。也許工程師將這些預測視為個人挑戰(zhàn)，以找到繞過看似不可逾越的障礙的方法。

　　要了解有關微處理器，晶體管和量子物理學的奇怪世界的更多信息，請查看以下鏈接。

　　小包裝

　　英特爾最小的微處理器是Atom，它占地26平方毫米，擁有4700萬個晶體管。英特爾將Atom設計為在智能手機等移動設備中工作[來源： 英特爾].