详细内容或原文请订阅后点击阅览
晶体管可以有多小？
晶体管实际上可以有多小？更小的仍然是目标吗？
来源:LiveScience几十年来，工程师们一直致力于制造越来越小的晶体管，以便将越来越多的晶体管安装到计算机芯片上，所有这些都是为了提高处理能力。现在，在人工智能（AI）时代，这种努力已经变成了一场全力以赴的竞赛。
那么晶体管实际上可以有多小？更小的仍然是目标吗？
要理解答案，首先您需要知道什么是晶体管。
Live Science 的最新视频
佐治亚理工学院电气与计算机工程教授苏曼·达塔 (Suman Datta) 告诉《生活科学》杂志：“如果你拿起一台电脑或手机，将其撬开，你会看到里面有一块印刷电路板。”
电路板上有一些小的矩形物体，称为芯片，每个芯片内部都有一小块硅。达塔说：“在硅片中，如果你放大一百万倍……如果你幸运的话，也许你会开始看到这些微小的开关或晶体管被蚀刻到那块硅片上。”
订阅我们的时事通讯
（图片来源：Marilyn Perkins / Future）
订阅我们的每周《生活小谜团》时事通讯，在最新的谜团出现在网上之前获取它们。
每个晶体管实际上都是一个开关，可以响应每秒 40 亿次的电流脉冲的震动而打开和关闭。现代设备包含数十亿个晶体管，每个晶体管都以精确的编排打开和关闭，以移动和存储 1 和 0，为从 Google 搜索和人工智能数据中心到您用来读取这些单词的设备的一切提供动力。
晶体管越小，每个芯片上可以容纳的晶体管就越多，芯片的速度和功能就越强大。那么到目前为止它们有多小呢？
晶体管曾经是肉眼可见的，但现在已经比人类头发的宽度小几个数量级。
（图片来源：Bettmann，来自 Getty Images）
瑞典查尔姆斯理工大学助理教授安东·佩尔森（Anton Persson）和加州大学洛杉矶分校即将上任的助理教授塔拉·佩纳（Tara Peña）通过一封联合撰写的电子邮件告诉《生活科学》杂志：“研究人员已经构建了概念验证设备，其中单个原子控制电子流动，尽管设备的其余部分仍然大得多。”这意味着晶体管的开关部分已经以物理上可能的最小尺寸制造，尽管如此小的完整设备还不存在。新材料和方法可以使这些设备变得更小。在《自然纳米技术》杂志 6 月份发表的一项研究中，Persson、Peña 及其同事使用由二硫化钨等材料制成的二维半导体，将纳米带晶体管的沟道宽度缩小至 25 纳米，约为人类头发宽度的 0.00025。
插图显示了 Persson、Peña 及其同事制作的小型晶体管。
（图片来源：Peña 等人 (2026)。）
二维半导体是一种电活性材料，只有一个或几个原子厚，并且由于可以在如此薄的层中更精确地控制电流，因此它们可以实现比传统硅更小的晶体管。
他们表示，在接下来的十年中，他们仍然预计硅晶体管会缩小，但速度会比过去慢。 “为了变得更小，我们最终可能需要超越硅而转向原子薄材料，例如我们研究的二维半导体。”
一系列考虑因素
更小的仍然是人工智能时代的目标吗？
大小并不是唯一的考虑因素；成本也很重要。设计和构建新芯片的前期成本非常昂贵。达塔说：“我们的研发密集程度就像制药公司花费数十亿美元开发一种药物一样。” “这是一个非常相似的商业模式。”
还需要考虑制造因素。佩尔森和佩纳说：“通常更困难的一步是可靠地、大规模地、以商业上合理的价格生产数十亿个晶体管。” “在实验室中有效的东西不一定在工厂中也有效。”
另一个考虑因素是能源效率。达塔说：“如果我在那一小块硅片上添加越来越多的晶体管，并且在单个晶体管层面上，它们不会变得更加节能……然后，当我从 10 个晶体管增加到 20 个晶体管时，在所有条件相同的情况下，我的功率预算必须加倍。”
例如，最新的 Nvidia 数据中心 GPU 消耗 1.4 千瓦的电力，而 Nvidia 即将发布的版本预计将消耗近一千瓦的电量。达塔说，其中一半作为废热被浪费掉了。
“所以它不仅更小、更快、更便宜，而且更节能，”达塔说。 “你必须研究所有四个向量。”
尽管如此，可用于额外晶体管的物理空间仍然有限，这就是工程师转向 3D 设计的原因 - 考虑更高而不是更小。
“我们的想法不是仅仅使每个晶体管变得更小，而是越来越多地将晶体管堆叠在一起，以便更多的晶体管可以容纳在同一芯片区域内，”佩尔森和佩纳说。 “这样，即使每个晶体管仅略微缩小，我们仍然可以使我们的电子设备变得更加强大。”
随着人工智能的爆炸式增长，对更快、更高效芯片的追求变得更加紧迫。但更小的晶体管和更强大的芯片不仅对人工智能数据中心很重要，而且对人工智能数据中心也很重要。它们还意味着更小、可能更便宜的消费电子产品。
“人们当然注意到了更小的晶体管的后果，”佩尔森和佩纳说。 “它们可以使用更少的功率，并允许在同一芯片上安装更多的计算能力。这可能意味着更快的电子设备、更长的电池寿命和更低的成本。从历史上看，这种组合使今天的智能手机能够超越几十年前房间大小的超级计算机。”
那么晶体管可以变得多小？达塔说：“只要我们能够控制物理原理，我们就会尽一切努力使其尽可能小。” “只要有可能，我们就会找到一种让经济发挥作用的方法。”