it產(chǎn)業(yè)動(dòng)力源微電子

1、IT產(chǎn)業(yè)的動(dòng)力源The IT Engine - Microelectronics123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536人類科技進(jìn)步的回顧工業(yè)革命時(shí)代 電氣時(shí)代 電子時(shí)代 信息時(shí)代 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics37工業(yè)革命時(shí)代：1733 1878年 1733年：第一臺(tái)穿梭織機(jī)、 軋花機(jī)問世。1765年：瓦特改進(jìn)蒸汽機(jī) IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics38電氣時(shí)代：1879 1946年 1879年：電燈泡18

2、85年：奔馳內(nèi)燃機(jī)機(jī)車（德國）1894年：無線電話（意大利）1903年：動(dòng)力飛機(jī)1904年：真空二極管1906年：真空管出現(xiàn)1930年：美國大型模擬計(jì)算機(jī)出現(xiàn) IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics39第一臺(tái)計(jì)算機(jī)1946年：電子管計(jì)算機(jī)出現(xiàn)（數(shù)字積分計(jì)算機(jī)）第一臺(tái)計(jì)算機(jī)重三噸，占地一百五十多平方米40電子時(shí)代：19471972年1947年：美國貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生第一支晶體管。晶體管的發(fā)明，是20世紀(jì)最重要的發(fā)明，是物理學(xué)的一次突破性進(jìn)展。1956年：計(jì)算機(jī)編程語言問世； 第二代計(jì)算機(jī)誕生（晶體管）。1959年：第一塊IC誕生（晶體管元件最小尺寸在100

3、m以上）1961年：SSI，小規(guī)模集成電路（100個(gè)元件）1962年：第一顆通訊衛(wèi)星上天（美）1964年：MSI，中規(guī)模集成電路誕生（642048）；出現(xiàn)MOS集成電路19651968年：第三代計(jì)算機(jī)誕生（SSI）； 用集成電路作的計(jì)算機(jī)誕生（MSI）1969年：交互網(wǎng)絡(luò)（美） IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics41晶體管的發(fā)明晶體管之父：巴?。↗.Bardeen),肖克萊（W.Schokley）和布拉頓（W.H.Brattain）（從左到右）第一只晶體管42第一只晶體管的發(fā)明半導(dǎo)體的發(fā)展最早追溯到19世紀(jì)30年代，1833年，英國物理學(xué)家法拉第

4、發(fā)現(xiàn)氧化銀的電阻率隨溫度升高而增加，1873年，英國物理學(xué)家史密斯發(fā)現(xiàn)晶體硒在光照下電阻變小的光電導(dǎo)效應(yīng)，1877年，英國物理學(xué)家亞當(dāng)斯發(fā)現(xiàn)晶體硒和金屬接觸在光照下產(chǎn)生電動(dòng)勢的半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)，1906年，美國物理學(xué)家皮爾遜等人發(fā)現(xiàn)金屬與硅晶體接觸產(chǎn)生整流作用的半導(dǎo)體整流效應(yīng)，1931年，英國物理學(xué)家威爾遜提出能帶理論，較好地解釋了半導(dǎo)體電阻負(fù)溫度系數(shù)和光電導(dǎo)現(xiàn)象，1946年，美國Bell實(shí)驗(yàn)室肖克萊、巴丁、布萊頓等人，根據(jù)實(shí)際需求牽引和理論推動(dòng)共同作用下發(fā)明的，于1947年12月誕生了第一只晶體管。 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics43第一

5、塊集成電路的誕生1959年，由美國德克薩斯儀器公司科學(xué)家基爾比等研制出世界第一塊集成電路集成電路的出現(xiàn)，打破了電子技術(shù)中器件與線路分離的傳統(tǒng)集成電路現(xiàn)已發(fā)展到SOC IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics44信息時(shí)代：1973至今1970年：LSI，大規(guī)模集成電路誕生（204865536）； 差不多同時(shí)，第四代計(jì)算機(jī)誕生（LSI）1971年：Intel生產(chǎn)第一臺(tái)微處理器1973年：大規(guī)模IC出現(xiàn)LSI1974年：6分鐘傳一頁紙的傳真機(jī)出現(xiàn)； 第一塊MOS陣列出現(xiàn)1975年：超大規(guī)模IC（VLSI）出現(xiàn)1977年：蘋果機(jī)推出個(gè)人電腦，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng) IT發(fā)展

6、的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics451980年：VLSI出現(xiàn)（655362097152）第二代計(jì)算機(jī)誕生1981年：美IBM推出DOS系統(tǒng)（磁盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）1983年：MOTOROLR開通移動(dòng)電話（蜂窩）1984年：荷蘭飛利浦和日本索尼推出光盤可讀存儲(chǔ)器CD-ROM；第一塊EPROM型可編輯邏輯器件（PCD）出現(xiàn)1985年：光纖通信（一根光纖可同時(shí)傳遞30萬個(gè)電話）； 開始出現(xiàn)超大規(guī)模IC,ULSI（209715267108864）1990年：交互網(wǎng)全球網(wǎng)出現(xiàn)（瑞士）第六代計(jì)算機(jī)ULSI,GLSI1993年：奔騰問世1994年：數(shù)字衛(wèi)星天線，18寸收17

7、5個(gè)頻道1995年：微軟視窗1998年：進(jìn)入特大規(guī)模集成電路，GSI(671088642047483648)1998年7月18日：Intel公司成立30周年（而立之年） Intel公司97年銷售額251億元美元，利潤70億美元1999年7月：出現(xiàn)PIII600芯片2002年 SOC 時(shí)代 現(xiàn)今, 深亞微米IC時(shí)代, 60納米或更小 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics46 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics 微電子深入信息技術(shù)的領(lǐng)域 當(dāng)代的計(jì)算機(jī)都是建立在微電子學(xué)基礎(chǔ)上的，納米科技的發(fā)展可能將計(jì)算機(jī)建

8、立在更微觀集成、更高速的基礎(chǔ)之上。衛(wèi)星通訊（）遙感（）人球定位系統(tǒng)（）寬頻帶高速數(shù)字綜合網(wǎng)絡(luò)信息壓縮與高速傳輸人工智能多媒體技術(shù)和模擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 47 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics 計(jì)算機(jī)在改變我們的生活 計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)深入我們生活的方方面面,從宇宙飛船到電子咖啡壺,交通等到微型計(jì)算機(jī). 從根本上講,如果這個(gè)設(shè)備使用電我們就能通過編程告訴它 “你可以做什么”我們可以說它 無處不在48 計(jì)算機(jī)的發(fā)展史這是差分機(jī)的工作部分（1832年），是已知的最早的自動(dòng)計(jì)算機(jī)。49 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectroni

9、cs 計(jì)算機(jī)的發(fā)展史ENIAC (1946)掌上電腦(2002)VS.由18000個(gè)電子管組成，占地150m2，重30噸，功率140KW，運(yùn)行速度只有每秒5000次，存儲(chǔ)容量只有千位，平均穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間只有7分鐘。只有手掌大小，重量為180g，具有PC的所有功能。運(yùn)行速度為206MHz，使用電池可工作125分鐘。50微處理器發(fā)展：第一代：71年：Intel：4004（4位） 78年：Intel：8008（8位）低檔第二代：7881年，中檔：（8位）第三代：7881年：（16位）8086、8088第四代：80年以來：（32位）80386（Intel）80486 80486D4/100第五代：92年

10、推出復(fù)雜指令和精簡指令相結(jié)合的Pentium IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics51 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics 計(jì)算機(jī)的發(fā)展史以Intel公司生產(chǎn)的80 x86為例2000 Pentium 4 總晶體管數(shù)大約42,000,00052計(jì)算機(jī)的組成：存儲(chǔ)器 內(nèi)外存儲(chǔ)運(yùn)算器 控制器 CPU 輸入輸出設(shè)備53CPU的組成 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics5455 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics 透

11、視計(jì)算機(jī)的心臟CPUIntel 的第一塊CPU4004Intel 最新的CPUItanium Processor4004,Intel最早的CPU，集成有2，250個(gè)晶體管，最大主頻為0.1MHz。Itanium Processor，Intel最新的CPU，集成有35，000，000個(gè)晶體管，最大主頻可以達(dá)到2.0GHz。56從4MDRAM4GDRAM的發(fā)展4MDRAM：86年日本首推89年開始生產(chǎn)集成度：8106 單元面積：10m2 芯片面積91mm2 設(shè)計(jì)規(guī)則：0.8m 圖片直徑150mm主要工藝：光刻工藝采用g線（波長436nm）步進(jìn)光刻機(jī)，光刻膠從負(fù)性轉(zhuǎn)向正性，刻蝕采用各向異性干法 刻蝕

12、，LDD（輕摻雜漏）結(jié)構(gòu)，淺結(jié)注入工藝 、 薄柵絕緣層工藝、多晶硅或難熔硅化物及多層薄膜工藝等。 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics5716MDRAM：88年日本率先推出，92年開始生產(chǎn)集成度：3107（個(gè)元件）單元面積：3.6m2 芯片面積：135mm2 設(shè)計(jì)規(guī)則：0.5m 圓片直徑：200mm2主要工藝：采用i-線（波長365n）步進(jìn)光刻機(jī)，采用選擇CVD工藝，化學(xué)機(jī)械拋光工藝（CMP）等。 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics5864MDRAM： 91年日本研制成功 94年開始生產(chǎn)集成度：1.4

13、108 單元面積：1.2m2 芯片面積：197.5mm2 設(shè)計(jì)規(guī)則：0.35m 200mm直徑主要工藝：i線步進(jìn)光刻機(jī)相移掩膜（PSM）技術(shù)低溫平面化工藝，全干法低損傷刻蝕工藝增強(qiáng)型隔離工藝，RTP/RTA(快速熱處理/熱退火)工藝 高性能淺結(jié)工藝，CMP工藝等。 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics591GDRAM：95年NEC第一塊，2000年開始生產(chǎn)，2004年達(dá)高峰 集成度2.2109，單元面積：0.54m2，芯片面積900mm2 設(shè)計(jì)規(guī)則： 0.25m，200mm直徑，存貯信息量相當(dāng)于4000頁報(bào)紙，約6400萬個(gè)漢字，數(shù)據(jù)線輸率為400

14、Mb/秒日立和韓國三星為0.16m設(shè)計(jì)規(guī)則主要工藝：X射線刻飾機(jī)，分辨率100nm，光源為同步輻射（SOR）和激光等離子體1.5VIC冷卻工藝，超線結(jié)摻雜（0.05m）工藝，高介電常數(shù)的線電介質(zhì)工藝；碳化硅異質(zhì)結(jié)工藝，CMP工藝，現(xiàn)場真空直接工藝，實(shí)時(shí)控制工藝的自動(dòng)化等。 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics604GDRAM：97年日本NEC試制成功，2003年生產(chǎn)，2007年高峰集成度為8.8109，單元面積0.23m2，芯片面積：986mm2，0.15m規(guī)則，存儲(chǔ)信息相當(dāng)于一臺(tái)小型筆記本式PC機(jī)容量。 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT

15、EdgeMicroelectronics61微電子發(fā)展的理論基礎(chǔ)物理學(xué)革命物理學(xué)的兩條路線量子力學(xué)的三種基本原理IT行業(yè)的理論研究基礎(chǔ) IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics62物理學(xué)革命物理學(xué)革命的序幕是從1895年揭開的。1895年底,倫琴發(fā)現(xiàn)了具有驚人穿透力的X射線；1895年佩蘭(Jean Baptiste Perrin, 18701924) (25歲)證實(shí)陰極射線是帶負(fù)電的粒子。1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)電子；1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性；1898年居里夫人用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了貝克勒爾的發(fā)現(xiàn),并且第一次提出了“放射性”概念； 1900年12月14日

16、，德國科學(xué)家普朗克在德國物理學(xué)會(huì)宣讀了他的論文“論正常光譜的能量分布定律”首次把一個(gè)與經(jīng)典理論全然不兼容的嶄新概念“能量子”引入物理學(xué),一舉打破了自然無飛躍的古老格言。這是量子論的開端,標(biāo)志著物理學(xué)革命的正式開始。 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics631905年，尚在瑞士土層專利局供職的愛因斯坦發(fā)表了狹義相對論論文和光量子論文,并終于在1915年 愛因斯坦建成廣義相對論。（愛因斯坦(Albert Einstein,18791956) 1905年（26歲）發(fā)表了三篇驚世之作關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化光量子理論的產(chǎn)生；關(guān)于熱的分子運(yùn)動(dòng)論,證實(shí)了原子真實(shí)存在

17、的布朗運(yùn)動(dòng)；動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)E=mc2狹義相對論。）相對論是人類理性思維的杰作,它和量子論是現(xiàn)代物理的兩大支柱,并把物理學(xué)革命推向高潮。給整個(gè)物理學(xué)界帶來了空前的繁榮。1924年 維格納(Eugene Paul Wigner, 1902) (22歲)發(fā)現(xiàn)了原子具有兩種不同的能級,并發(fā)現(xiàn)兩種能級躍遷的選擇定則。 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics64物理學(xué)的兩條路線由愛因斯坦關(guān)于輻射的波粒二象性出發(fā),途徑德布羅意的物質(zhì)波,于1926年到達(dá)薛定諤的波動(dòng)力學(xué)。從玻爾的對應(yīng)原理開始,于1924年導(dǎo)致海森堡、玻恩等的矩陣力學(xué)。 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 T

18、he IT EdgeMicroelectronics65量子力學(xué)的三種基本原理能量量子化原理波粒二相性原理不確定原理。 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics66 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics 微電子發(fā)展的神奇規(guī)律Moores LawDr. Gordon E. Moore is Chairman Emeritus of Intel Corporation. He co-founded Intel in 1968, serving initially as Executive Vice Presid

19、ent. He became President and Chief Executive Officer in 1975 and held that post until being elected Chairman and Chief Executive Officer in 1979. He remained CEO until 1987 and served as Chairman until being named Chairman Emeritus in 1997. The doubling of transistors every couple of years 每隔三年芯片晶體管

20、數(shù)翻兩番（增加4倍） 67 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics 微電子發(fā)展的神奇規(guī)律Moores Law68 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics微電子發(fā)展的另一定律 按比例縮小理論1974年IBM的H.MYU和DENNARD通過器件物理研究和工藝分析而提出的MOS晶體管結(jié)構(gòu)尺寸按比例縮小的原理。即晶體管橫向線寬每3年縮小1/3，縱向結(jié)深也按比例縮小，這也是對摩爾定律的充實(shí)和支持。 69現(xiàn)在對微電子發(fā)展的兩種看法 隨著加工尺寸越來越小，其中的中心元件的尺寸將逼近到物理的極限，因此出現(xiàn)了兩種看法 ：一是

21、認(rèn)為莫爾定律已不復(fù)存在，硅技術(shù)已是夕陽。 另一種認(rèn)為從68年進(jìn)入“硅石”時(shí)代，它將和石器時(shí)代、鐵器時(shí)代一樣，持久逾千年。 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics702002年世界半導(dǎo)體具有代表性的成果 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics71微電子產(chǎn)業(yè)前景光明從已經(jīng)趨向成熟的技術(shù)分析，到2010年芯片生產(chǎn)將大量采用0.1m技術(shù)工藝，一個(gè)芯片中含有100億個(gè)以上晶體管已成定局；從工藝技術(shù)上看，線寬縮小到m以下，即毫微米尺寸仍有很大潛力，軟X射線和電子束都有應(yīng)用前景。 而且，現(xiàn)在還有多種發(fā)展優(yōu)勢，這將引發(fā)微電

22、子的第四次重大技術(shù)突破： IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics72其一，微處理器的發(fā)現(xiàn)使硅技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的階段，它對智能化的芯片發(fā)展僅僅只是開始，還方興未艾，有著旺盛的生命力?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了將整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)或幾個(gè)微電子芯片上的集成系統(tǒng)（Integrated System，簡稱IS）或系統(tǒng)芯片（System on Chip，簡稱SOC）。 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics73其二，從成群電子到單個(gè)電子-納米電子學(xué) 美國貝爾實(shí)驗(yàn)室與1988年研制成功隧道三極管近年研制成功單電子晶體管，使器件尺寸縮小

23、100倍，運(yùn)算速度提高1000到10000倍。（固體是多體運(yùn)動(dòng)體系，單就電子也在1022/cm3，納米要考慮其波動(dòng)性，即量子功能器件） IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics74其三，雖然以CMOS為主流的加工技術(shù)已進(jìn)入深亞微米，因而日介成熟的微米級平面加工技術(shù)在日益開拓新的發(fā)展領(lǐng)域。這種技術(shù)與其它學(xué)科相結(jié)合，會(huì)誕生出一系列嶄新的學(xué)科和重大的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，作為與微電子技術(shù)成功結(jié)合的典型例子便是MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)和DNA生物芯片等前者是微電子技術(shù)與機(jī)械、光學(xué)等領(lǐng)域結(jié)合而誕生的后者則是與生物工程技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The I

24、T EdgeMicroelectronics75微電子機(jī)械系統(tǒng)是微電子技術(shù)的拓寬和延伸，它將微電子技術(shù)和精密機(jī)械加工技術(shù)相互融合，實(shí)現(xiàn)了微電子與機(jī)械融為一體的系統(tǒng)可以在硅片上做直徑40m的微齒輪，長度100 m的微手術(shù)剪刀。德國工程師制成黃蜂大小的能升空的直升飛機(jī) IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics76由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強(qiáng)大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子

25、 The IT EdgeMicroelectronics77微電子與生物技術(shù)緊密結(jié)合的以DNA芯片等為代表的生物工程芯片將是2l世紀(jì)微電子領(lǐng)域的另一個(gè)熱點(diǎn)和新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)它是以生物科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物體、生物組織或細(xì)胞等的特點(diǎn)和功能，設(shè)計(jì)構(gòu)建具有預(yù)期性狀的新物種或新品系，并與工程技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行加工生產(chǎn)，它是生命科學(xué)與技術(shù)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物具有附加值高、資源占用少等一系列特點(diǎn)，正日益受到廣泛關(guān)注目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片 IT發(fā)展的引導(dǎo)性領(lǐng)域微電子 The IT EdgeMicroelectronics78微電子關(guān)鍵技術(shù)展望： 納米級線寬 大面積硅單晶片 SOI技術(shù) 高介電常數(shù)介質(zhì) 銅互連技術(shù) 表面鈍化技術(shù)79 故認(rèn)為硅技術(shù)仍處于“朝陽”階段，摩爾定律將風(fēng)行50年！ IT發(fā)展的引