诞生75年改变世界面貌 小晶体管的大能量

美国《大众科学》月刊网站2022年12月4日刊发题为《改变世界的强大的小晶体管诞生75年了》的文章，作者是拉胡尔·拉奥。全文摘编如下：

毫不夸张地说，现代世界始于75年前新泽西州一个不起眼的办公园区。

那是贝尔实验室的鼎盛时期。它作为一个电话公司的研究机构成立，到20世纪40年代已经成为科学家和工程师的乐园。这里是不断创新的工厂：射电望远镜、激光、太阳能电池和多种编程语言。但没有哪一个像晶体管那么重要。

一些技术史专家认为，最早在1947年底诞生于贝尔实验室的晶体管是人类历史上最重要的发明。不管真假，毋庸置疑的是，晶体管帮助掀起了一场世界数字化革命。没有晶体管，我们所知道的电子产品不可能存在。地球上几乎每个人的日常生活都会截然不同。

总部设在新泽西州的电气电子工程师学会（IEEE）高级成员马诺杰·萨克塞纳说：“晶体管在各个收入水平的国家都有相当大的影响。”现代贝尔实验室副总裁托德·赛泽在一封电子邮件中写道：“很难低估它们对地球上几乎每个人的生活造成的影响。”

晶体管的原理

简单地说，晶体管就是一种能开关电流的装置，还可以加强通过它的电流。这些能力对于制造包括计算机在内的各种电子产品至关重要。

在晶体管时代的头10年里，这些能力得到认可。当时制造首个晶体管的贝尔实验室三名科学家——威廉·肖克利、约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿——获得1956年的诺贝尔物理学奖。

晶体管通常是由被称为半导体的特定元件制成，这些元件可用于操纵电流。首个晶体管有人类手掌大小，是由类金属锗制成的。到20世纪60年代中期，大多数晶体管都是用硅——元素周期表上锗前一位的元素——制造的，工程师们将晶体管集中在一起，形成复杂的集成电路：这就是计算机芯片的基础。

几十年来，晶体管的发展一直遵循一种被称为摩尔定律的经验法则：能装进最先进电路里的晶体管数量大约每两年翻一番。摩尔定律是计算机芯片世界的术语，长期以来一直是工程师们老生常谈的内容，至今仍然沿袭。

现代晶体管只有几纳米大小。你用来读这篇文章的设备中典型的处理器可能把数以十亿计的晶体管装在一个比人类指甲盖还小的芯片上。

现代技术的根本

在晶体管占据主导地位之前，电子产品依赖于真空管：通常由玻璃制成的灯泡，其内部是真空，装有荷电板。真空管相比晶体管具有几个优点。它们可以产生更多能量。但真空管非常笨重和脆弱（它们往往燃烧得很快，就像白炽灯泡一样）。此外，它们通常需要时间“热身”，这使得真空管装置有点像老旧散热器。

晶体管似乎是一种方便的替代品。最早上市的晶体管设备是1953年推出的助听器。此后不久，晶体管收音机问世，成为20世纪60年代的标志。便携式真空管收音机确实存在，但如果没有晶体管，手持收音机很可能不会成为无处不在的设备，从而开启户外听音乐的时代。

在晶体管时代早期，这些设备的数量就开始激增。“阿波罗”计划中的机载计算机就是用晶体管制造的，它帮助宇航员通过在太空中操作来确定飞船方位。如果没有它，工程师们要么不得不在拥挤的航天器上安装一个巨大的真空管装置，要么宇航员不得不依靠地面冗长的指令。

晶体管给计算机本身带来革命性变化。如果没有晶体管，我们或许会生活在这样一个世界里，电脑是工作时——而不是在家里——使用的东西。忘了智能手机、手持导航、平板显示器、火车站的电子时间显示屏幕吧，甚至是不起眼的数字手表。所有这些都需要晶体管来工作。

IEEE电子器件学会现任会长拉维·托迪说：“晶体管是所有现代技术的根本，包括电信、数据通信、航空以及音视频记录设备。”

未来向何处去

不可否认，2022年的世界与1947年的截然不同，这在很大程度上要归功于晶体管。那么，我们对未来75年、即2097年的世界里的晶体管应该有什么期待呢？

很难确定。如今，几乎所有晶体管都是用硅制造的——硅谷就是这样得名。但这种情况会持续多久呢？

如今，硅晶体管小到足以让工程师们不确定它们能小到什么程度，这表明摩尔定律的终点可能是有限的。研究人员希望生产用电较少的计算机芯片，这在一定程度上是希望减少数据中心和其他大型设施的碳足迹。

越来越多的研究人员正在考虑硅的替代品。他们考虑利用奇怪量子效应和微小磁力的计算机芯片。他们正在着眼锗等材料，以替代独特的碳形式。如果有的话，这些材料中哪一个可能有朝一日取代硅晶体管呢？这还不确定。

萨克塞纳说：“没有任何一项技术能够满足所有需求。”21世纪90年代的决定性技术很有可能尚未发明出来。

来源：参考消息网