How Vacuum Tubes, New Technology Might Save Moore's Law
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By Joel Hruska
Monday, June 23, 2014
打從人類出現以來，電晶體是影響最深遠的發明之一。首度在 1947 年被發現，其規模已經龐大到人類歷史似乎不再有所進展；我們能夠將數十億個電晶體封裝到小於你拇指的複雜處理器中。然而，在數十年的創新後，電晶體開始動搖。時脈速度從 2005 年開始停滯而 20nm 的處理器世代（process node）將有始以來首度比 28nm 世代更加昂貴。現在，NASA 的研究者認為，他們或許已經發現一種方法讓電晶體再起 -- 所用的是電腦時代伊始時的技術：真空管（vacuum tube）。
不，那是真的。別笑了！
在很久很久以前，真空管是電腦的基礎單元，在固態電晶體來臨之前，攸關幾乎所有電子產品的運作。收音機、電話、早期錄音與聲音重現設備，與第一代電腦（包括 ENIAC）都倚賴真空管來運作。那些年真空管技術的改進十分緩慢（早期電腦每天都會遇到真空管故障的問題），不過一旦固態電晶體被發明後，這些裝置的好日子即將結束（the writing was on the wall）。真空管在運作時會發熱，那意味著一部有幾千個真空管的電腦很快就會變成火爐。ENIAC 包含 17,648 個真空管，並消耗 150-175KW 的電力（歷史紀錄互異）。
最快的真空管技術很快就被電晶體所凌駕，不過今日它卻猛然遇到我們製造技術的根本極限。要解釋電晶體為何無法像之前那樣擴張，最簡單的方式是：我們遇到了「完美 (perfection)」的極限。我們所要求的完美特徵尺寸（feature sizes）的大小實在太小了，我們無法建立這麼小的雷射來進行蝕刻。我們所要控制的摻雜物（dopants，矽晶圓中故意加入的雜質）濃度得維持在 10 個原子內。Heisenberg 他自己正扯住 Intel 最棒工程師的衣袖並不以為然地輕笑。（應指測不準原理）
「真空電晶體（Vacuum Transistors，譯註：完整來說應該是真空通道電晶體， vacuum-channel transistor）」如何拯救摩爾定律？
結果證明，當你將真空電晶體縮小到非常小的維度時，你能夠重新獲得真空管的某些優勢並避開運用上的負面部份。根據 IEEE Spectrum 的一篇報告（參見：http://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/introducing-the-vacuum-transistor-a-device-made-of-nothing），真空電晶體的閘極與電子之間不需要有任何物理性連結，就能將電子拉過閘極。這使得真空區域能變得夠小，並充分減少電壓，而場發射效應使得電晶體能夠發射電子越過閘極，而不需要另外給名義上是「真空」卻內含氦氣的電晶體，用以激發氦氣的充足能量。根據研究者表示，他們已經建立一個成功在 460GHz 運作的電晶體 -- 進入所謂的「兆赫波間隙（Terahertz Gap）」，那位於微波與紅外線之間。這個「間隙」指的是，我們只有數量有限的裝置能夠產生這種頻率，而且此能帶中的實驗性應用也屈指可數。
現在，這些結構是仍屬於高度實驗性階段。研究者已經建立一些電晶體，能達到如此極端的運作頻率，但尚未著手對付要將幾百萬個真空電晶體整合的可觀挑戰。目前 460GHz 的電晶體在 10V 電壓下運作，不過原型已經縮小至 1-2V。目前仍不清楚這些真空電晶體是在何種尺度下被建造，但卻能夠明白背後的研究團隊，從通訊硬體到 CMOS 與微處理器的每樣東西中看到的長期潛力。
真空電晶體並不會在未來二、三年內重新發明電腦，但長期而言，它們應能成為一種避開某些量子穿隧（quantum tunneling）與電遷移（electromigration）效應的方法，那些效應目前正挑戰現代微處理器。對於一個在源極與汲極之間沒有任何任何東西的電晶體結構物來說，這是一大進展。
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