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[优先权，笔记] 以“功能部件”为设计单元：以JK触发器为例的思考 （关联：延续“摩尔定律 Moore's law”）

摩尔定律： Moore's law

集成电路： integrated circuit

鳍式场效应晶体管： fin field-effect transistor, FinFET

场效应晶体管： field effect transistor; FET

自旋晶体管： spin transistor

隧道晶体管： tunnel transistor

单原子晶体管： monoatomic transistor

图1  Gordon Earle Moore, 1970. 1929-01-03 ~ 2023-03-24, 94

https://content.fortune.com/wp-content/uploads/2015/05/gordonmoore_1970_lecturing.jpg

https://fortune.com/2015/05/12/intel-gordon-moore-moores-law/

核心：

   （1）采用“放大”能力为首的电子管、晶体管等，来完成算数逻辑“运算”，似乎不是最优的技术途径。

   （2）更好的技术途径，应该是直接将算数逻辑“运算”能力作为设计的基本单元。亦即，直接实现“逻辑与”、“逻辑或”；“算数加”、“算数乘”等运算。

   我是教本科生《电工学》的教师，不是集成电路方面的人员。

一、延续“摩尔定律 Moore's law”

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=130521&Type=bkzyb&SubID=105141

1.1  过去主要是新材料、新工艺

   双极型器件、金属氧化物半导体器件、互补金属氧化物半导体工艺、钨插塞工艺、沟槽隔离、铜互连、应力硅、高k介质和金属栅、鳍式场效应晶体管器件等。

1.2  新原理方面的探索

   有：隧道场效应晶体管、电子自旋器件、磁电器件；三维集成技术等。

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=130521&Type=bkzyb&SubID=105141

1.3  延续摩尔定律：以“功能部件”为设计单元？

   过去人类发明电子管、晶体管，“放大”能力是首要的。

   今天信息时代，“运算”能力是首要的。

   打破过去以晶体管、电阻等为基本设计单元的习惯，改用以与非门、或非门、触发器，以及模拟运算放大器等“功能部件”为设计的优化基本单元，是今后延续摩尔定律的可能新思路。特别是晶体管正在接近其物理极限的当前。

二、[优先权，笔记] 以“功能部件”为设计单元：JK触发器

2.1  “与非门”已经完成

   实际上，《多栅极场效应管可能简化“与非门”数字逻辑电路》、《用光做“算术加法”和“逻辑与”运算》和《用“压电效应”做数学运算》等已经基本上说明了这个思路。

   即，直接采用“场”的作用，直接实现逻辑“与、或、非”运算。

   用这些新型的“与非门”，当然可以制作成各类的数字“触发器”等功能部件。

   我想做的，自然是比这个更“紧凑”的触发器。

2.2  正在思考的要点

   （1）同时利用金属、半导体等，同时考虑“电场”、“载流子”传输信号的固体结构器件。

   （2）不改变各类触发器等的逻辑功能和表现，而是采用“电场”、“载流子”来进行逻辑功能的技术实现。

   （3）进一步，将计算机等常用的“基本功能部件”，设计成一个“紧凑”的整体。在接下来的设计中，这些“整体”功能部件，就先以前的基本元件（晶体管、电阻，等）一样使用。

   也可以说，是“集成电路”内部的又一级“集成电路”。

   尽管没有采用新材料、新技术，但“紧凑”设计的功能部件，相当于“等效”地提高了集成度，即延续了摩尔定律。

   这类“紧凑”设计，在速度、功耗等方面不会变坏；采用“或”运算，相对意义部分克服场效应管的“短沟道效应”等。

2023-08-11，多栅极场效应管可能简化“与非门”数字逻辑电路，中国科学院，科学智慧火花

https://idea.cas.cn/zhhh/gcjskxygjs/gcjskxygjs_dzyxx/info/2023/525324.html

   2024年春节之前，已经想好了这个思路。但是，2024年春季学期，根本没有时间、没有精力来完成采用该思路“数字触发器”的原型具体设计。只有五一假期，终于有几天时间思考。确有“微小”的进展，但离真正把“以‘功能部件’为设计单元的触发器”完成还很遥远。

   近半年有不少精力花在以“功能部件”为设计单元的思考方面。

   还是急需时间，急需精力。

2.3  我智商不够，实在没有时间，没有精力

   我肯定做不出用于生产的“以‘功能部件’为设计单元的触发器”等。

   我所能做的，就是从“电路实现”的角度，去探索更高效地制作触发器等。

   就像 1948年肖克莱（William Bradford Shockley）只给出“结型晶体管”的直接原理。

   今后估计会陆续公开相关的进一步思考。

   这是一个有可能发大财的新思路。我故意公开，是为了“不发大财”：想体会一下当年居里夫妇放弃镭提炼专利权的感觉。

   献给全人类！假如它真的有用的话。

参考资料：

[1] 2022-12-23，摩尔定律/Moore's law/刘力源，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=130521&Type=bkzyb&SubID=105141

[2] 科普中国，2022-07-29，《大话集成电路35》FinFET之父胡正明：凭一己之力拯救摩尔定律

https://www.kepuchina.cn/article/articleinfo?business_type=100&classify=2&ar_id=106634

[3] Gordon Earle Moore. Cramming more components onto integrated circuits [J]. Electronics, 1965, 38(8): 114-117   April 19, 1965

http://cva.stanford.edu/classes/cs99s/papers/moore-crammingmorecomponents.pdf

https://hasler.ece.gatech.edu/Published_papers/Technology_overview/gordon_moore_1965_article.pdf

[4] 2022-12-30，光子模数转换/photonic analog-to-digital conversion/陈建平，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=108823&Type=bkzyb&SubID=80688

[5] Computer History Museum, 2018-08-15, TOMORROW’S COMPUTERS: MORE MOORE?

https://computerhistory.org/events/tomorrows-computers-more-moore/

[6] 1948: CONCEPTION OF THE JUNCTION TRANSISTOR

WILLIAM SHOCKLEY CONCEIVES AN IMPROVED TRANSISTOR STRUCTURE BASED ON A THEORETICAL UNDERSTANDING OF THE P-N JUNCTION EFFECT.

https://www.computerhistory.org/siliconengine/conception-of-the-junction-transistor/

[7] 1951: FIRST GROWN-JUNCTION TRANSISTORS FABRICATED

GORDON TEAL GROWS LARGE SINGLE CRYSTALS OF GERMANIUM AND WORKS WITH MORGAN SPARKS TO FABRICATE AN N-P-N JUNCTION TRANSISTOR.

https://www.computerhistory.org/siliconengine/first-grown-junction-transistors-fabricated/

[8] 中国科学院科学智慧火花，杨正瓴，2023-08-11，多栅极场效应管可能简化“与非门”数字逻辑电路[EB/OL]

https://idea.cas.cn/zhhh/gcjskxygjs/gcjskxygjs_dzyxx/info/2023/525324.html

[9] 中国科学院科学智慧火花，杨正瓴，2023-12-04，用光做“算术加法”和“逻辑与”运算[EB/OL]

https://idea.cas.cn/zhhh/gcjskxygjs/gcjskxygjs_dzyxx/info/2023/525819.html

[10] 中国科学院科学智慧火花，杨正瓴，2024-01-09，用“压电效应”做数学运算[EB/OL]

https://idea.cas.cn/zhhh/gcjskxygjs/gcjskxygjs_dzyxx/info/2024/525372.html  

[11] 2023-08-22，自旋晶体管/spin transistor/韩秀峰，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=120921&Type=bkzyb&SubID=98995

[12] 2022-05-06，自旋场效应晶体管/spin field effect transistor/韩秀峰，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=120920&Type=bkzyb&SubID=98995

[13] 2022-12-23，自旋场效应晶体管/spin field effect transistor/李京波，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=130532&Type=bkzyb&SubID=105141  

[14] 2023-08-29，隧道晶体管/tunnel transistor/韩伟华，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=62938&Type=bkzyb&SubID=80584

[15] 2023-01-05，单原子晶体管/monoatomic transistor/韩伟华，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=62936&Type=bkzyb&SubID=80584

   通过电离杂质原子作为量子点进行量子输运的晶体管。

   单原子晶体管开辟了未来原子级逻辑和量子电子学的发展前景。这一结果展现了结构最精确、尺度最极限的晶体管，揭示了摩尔定律发展的最终极限。

相关链接：

[1] 2025-01-04，[请教，讨论] 延续摩尔定律：以“功能部件”为设计单元？ （关联：“半电路、半电磁场”集成电路）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467381.html

[2] 2024-01-08，[重复就是力量] 多栅极场效应管：献给全人类！

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1417141.html

[3] 2023-12-27，[笔记，请教，原创] “自然运算”有什么创新？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1415592.html

[4] 2023-08-21，[征求意见稿] “半电路、半电磁场”电路：目标和现状

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1399839.html

[5] 2023-11-18，[小资料] 场效应晶体管 FET：短沟道效应

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1410158.html

[6] 2023-08-31，[小资料] 1949年肖克莱（William Bradford Shockley）的结型晶体管论文的引言（图片）和图片页

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1401002.html

[7] 2024-01-07，[搜集，小资料] 理论计算机模型的名字

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1417022.html  

[8] 2023-12-04，[展望] 计算机：“再见，晶体管。辛苦了，谢谢您！”

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1412453.html

[9] 2024-12-02，《科学网》博克第 17 年开始！（俺在科学网开始第17年）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1462677.html  

二、“半电路、半电磁场”电路

   2024年春节前有约两周时间状态还可以，于是“树雄心、立壮志”，打算将该思路推进到**级别的具体设计。

   但是，2024年春节后的上半年，实在没有时间，根本没有时间来具体做。只有五一假期，终于有几天时间思考。确有“微小”的进展，但离真正把“**级别的具体设计”完成还很遥远。

同组博文：

[1] 2025-01-04，电子学（1）：硬件（晶体管、集成电路、等）相关博文目录

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467362.html

[2] 2025-01-04，电子学（2）：“历史、人物”相关博文目录

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467373.html

[3] 2025-01-04，电子学（3）：“教学、备课等”相关博文目录

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467376.html

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