晶体管的“瘦身”之旅，半导体或将延续“摩尔定律”神话

虽然多数人对半导体并不了解，但是它在我们身边无处不在，例如口袋里的智能手机、桌面上的台式/笔记本电脑、各类家用电器和各类交通工具，以及支持互联网运作的数据中心，都包含着这项让一切成为可能的微小技术，它的每次突破都为我们的工作和生活方式带来重大变革。

什么是半导体

半导体，字面含义指的是具有特殊电学性质的材料。早在1833年，被誉为“电学之父”的英国物理学家法拉第就发现硫化银的电阻随着温度上升而降低，此后的五十年里，光生伏特效应、整流效应、光电导效应先后被欧洲科学家发现，为后续半导体行业的发展奠定了基础。但直到1947年，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿三名科学家研制出世界上第一个晶体管后，人类的科技才逐步走进半导体时代。

在相当长一段时期，电子真空管统治着整个电子行业，例如世界第一台计算机ENIAC，使用了17468个电子管，重量高达30吨，功率达150kw，更有占据三个房间的庞大体积。随着半导体技术的飞速发展，计算机又进入了晶体管时代和大规模/超大规模集成电路时代，速度不断提升的同时，体积和耗电量也大为减小。如今，我们的计算机已经可以装进背包，智能手机更是可以塞进口袋随身携带。

晶体管——半导体的基础

半导体是现代计算机的基础。从底层原理来看，它是通过晶体管开关或放大信号来实现逻辑控制，将二进制系统中的数字信息转化为电信号。如果要实现更加复杂的运算，就需要更多的晶体管的互联协同工作。这些由大量晶体管和周边元件组成的，实现某项功能的电路集合，就是集成电路。因此，半导体给人们最直观的展现形式，就是各类的芯片，例如电脑中的CPU、内存条上的DRAM和固态硬盘上的NAND等。

晶体管是半导体芯片中的最小单元，因此一块芯片的晶体管数量，也被认为是芯片性能的最直观展现，半导体行业著名的“摩尔定律”更揭示了信息技术进步的速度。例如早年6MHz频率80286PC处理器，仅包含13400个晶体管，而如今，三星半导体出品的Exynos手机处理器晶体管数量已超过百亿，主频更经达到了2GHz以上。半导体技术的进步，让计算机（包括智能手机）性能不断提升的同时，体积也不断减小，成我们大多数不可或缺的工具。

制程工艺演进-半导体的究极进化

一颗芯片的诞生，要经过蓝图设计、原料提纯和铸锭、晶圆加工、光刻、蚀刻和切割等工序，简单来说就是在小半导体晶片上，制造出较大数量规模的晶体管。但晶片的面积有限，增加晶体管的数量，就需要减小晶体管栅极的宽度，也就是我们所说芯片的制程工艺，通常为nm级别。因此，半导体行业一直致力于提升晶片的工艺制程，但这极其考验厂商的技术实力。

早在1983年，三星半导体就自主成功开发出64KDRAM的工程、检查、组装等半导体全线工程技术，成为世界上第三个VLSI半导体（超大规模集成电路）生产商。如今，三星半导体技术已经位列全球前沿，不仅DRAM和NAND技术业界领先，集成电路制造实力也十分强大，并有着非常清晰明确的工艺演进路线。

在2015年，三星开发了14nmFinFET制造工艺，自此三星半导体工艺进入FinFET时代，晶片上独特的鲨鱼鳍结构能够控制漏电率，为后续制程演进提供支持。到了2016年三星FinFET制造工艺升级到了10nm，相比于14nmFinFET性能提升幅度达27％、功耗降幅达40％，并进一步缩小了芯片的面积，让智能手机在实现更强性能的同时，也拥有更长的电池续航时间。

到了2018年，三星又将FinFET制造工艺提升至7nm，最大的特点就是采用EUV（极紫外光刻），运用波长为13.5nm的紫外线，取代之前的193nmArF（氟化氩）浸没式光刻，从而使得晶体管栅极愈加精细，大幅提升了晶体管的密度，使得芯片性能再次提升20%-30%，而功耗却降低30%-50%。

写在最后

近年来，无论是通用计算芯片，还是手机、物联网以及车载芯片市场都呈现爆发式增长，甚至出现“一芯难求”的情况。面对持续增长的需求，半导体制造工艺也一直在寻求突破，在2022年6月底，三星实现了全球首家3nm工艺制程的量产，采用全新的GAAFET架构实现比FinFET架构晶体管更高的性能提升，和上代的5nm制程工艺相比提升25%的效能并降低45%的功耗，芯片面积也减少了16%。

可以说，半导体的历史就是制造体积更小、速度更快、耗电更少的晶体管的历史，而更先进的工艺制程或将延续“摩尔定律”的神话。