晶体管的主要特点是什么 为什么芯片内晶体管数量越多越好

晶体管的主要特点是什么

晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件,晶体管具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能,晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能。1947年12月16日,威廉·肖克利(William Shockley)、约翰·巴顿(John Bardeen)和沃特·布拉顿(Walter Brattain)成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。晶体管是现代电器的最关键的元件之一。晶体管之所以能够大规模使用是因为它能以极低的单位成本被大规模生产。

同电子管相比,晶体管具有诸多优越性:

体积小

晶体管比电子管体积小很多,需要空间比电子管小很多,电器使用晶体管可以做的很小。

构件没有消耗

无论多么优良的电子管,都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。由于技术上的原因,晶体管制作之初也存在同样的问题。随着材料制作上的进步以及多方面的改善,晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍,称得起性器件的美名。

消耗电能极少

仅为电子管的十分之一或几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去,这对电子管收音机来说,是难以做到的。

不需预热优越性

一开机就工作。例如,晶体管收音机一开就响,晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一点。开机后,非得等一会儿才听得到声音,看得到画面。显然,在军事、测量、记录等方面,晶体管是有的。

工作电压范围大

理论上和实际证明,不同种类的晶体管可以在低于1伏到上千伏电压下工作,而电子管的第二电源(乙电)低也要数伏,高也就1000多伏,所以晶体管能被用在更广泛的电路中,使其他得以发挥。

结实可靠

比电子管可靠100倍,耐冲击、耐振动,这都是电子管所无法比拟的。另外,晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一,放热很少,可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密,但工序简便,有利于提高元器件的安装密度。

为什么芯片内晶体管数量越多越好

芯片(集成电路)是使用硅晶圆作为基层,通过光刻、刻蚀、薄膜(物理气相沉积、化学气相沉积)、掺杂(离子注入、热扩散)过程制成。一颗芯片上有数以百万计的晶体管,不管是摩尔定律还是行业的趋势都是更多晶体管的芯片。苹果基于ARM的M1 Max作为晶体管最多的商业处理器,数量为570亿。除此之外,晶体管数量最多的GPU是AMD Instinct MI250(590亿),所有类型芯片中晶体管数量最多的是晶体管的数量是否是决定芯片性能的唯一因素?。芯片上的晶体管数量增多意味着什么?

功能更丰富;更高的时钟速度(晶体管间距缩小,电子位移更快);实力彰显(对公司而言,更先进的晶体管封装技术意味着产品的含金量更高);

从具体参数来看:

更宽的总线更大的缓存;更多的并行性或核心(同时做2件或者更多事情);更多的功能单元(FPU、ALU);更佳的逻辑处理能力。

但晶体管的数量真的是越多越好吗?

显然,这不是肯定的。

举个例子:在地球上,如果每个人都有一个单独的房子,将会发生什么?地球将被房子装满,将没有道路、河流、湖泊、甚至走路的地方。对此,工程师找到了解决方案—公寓、楼房,很多公共区域可以共享。通过使用更多的晶体管,可以构建一个很好的电子电路,从而制造出像智能手机这样的好产品。通过数据的方式进行计算一下,如果晶体管尺寸是3mm*3mm,则占9平方mm。现在需要用到1000000个晶体管,想想占用的面积有多大,但如果将晶体管尺寸减少到3μm*3μm,就会有质的飞跃。

毋庸置疑,更多的晶体管允许芯片任务并行性更强,这意味着更快地完成工作并支持更高级的计算。然而,任何事物都有两面性,更多的晶体管会产生更多的热量,功耗增大且芯片尺寸也会增大。当然,这也是为什么不断缩小晶体管尺寸的原因,更小的晶体管可以更密集地封装到更小的芯片上,从而提高速度、功率,并提高效率。

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