電路前沿進(jìn)展

附件5:課程前沿內(nèi)容教案(1學(xué)時(shí))主要包括以下內(nèi)容：課程的最前沿內(nèi)容和杲新動(dòng)態(tài)，課程中的熱點(diǎn)問(wèn)題和員新思維方法的應(yīng)用情況電路前沿發(fā)展自本世紀(jì)初，真空電于管發(fā)明后，至今電于器件至今已經(jīng)歷了五代的發(fā)展過(guò)程。集成電路(1C)的誕生，使電于技術(shù)出現(xiàn)丁劃時(shí)代的革命，它是現(xiàn)代電于技術(shù)和計(jì)算機(jī)發(fā)展的墓礎(chǔ)，也是微電于技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志。集成電路規(guī)模的劃分，目前在國(guó)際上尚無(wú)嚴(yán)格、確切的定義。在發(fā)展過(guò)程中，人們逐漸形成一種似乎比較一致的劃分意見(jiàn)，按芯片上所含邏輯門電路或晶體管的個(gè)數(shù)作為劃分標(biāo)志。一般人們將單塊芯片上包含100個(gè)元件或10個(gè)邏揖門以下的集成電站稱為小規(guī)模集成電路；而將元件數(shù)在100個(gè)以上、1000個(gè)以下，或邏揖門在10個(gè)以上、100個(gè)以下的稱為中規(guī)模集成電路；門數(shù)有100—100000個(gè)元件的稱大規(guī)模集成電路(LSI),門數(shù)超過(guò)5000個(gè)，或元件數(shù)高于10萬(wàn)個(gè)的則稱超大規(guī)模集成電路(VLSl)o電站集成化的黒初設(shè)想是在晶體管興起不久的1952年，由英國(guó)科學(xué)家達(dá)默提出的。他設(shè)想按照電子線路的要求，將一個(gè)線路所包含的晶體管和二極管，以及其他必要的元件統(tǒng)統(tǒng)集臺(tái)在一塊半導(dǎo)體晶片上，從而構(gòu)成一塊具有預(yù)定功能的電路。1958年，美國(guó)德克薩斯儀器公司的一位工程師基爾比，按照上述設(shè)想，制成了世界上第一塊集成電路。他使用一根半導(dǎo)體卑晶硅制成了相移振蕩器，這個(gè)振蕩器所包含的4個(gè)元器件巳不需要用金屬導(dǎo)線相連，硅棒本身既用為電于元器件的材料，又構(gòu)成使它們之間相連的通站。同年，另一家美國(guó)首若的仙童電于公司也宣稱研制成功集成電路。由該公司赫爾尼等人所發(fā)明的一整套制作微型晶體管的新工藝一一“平面工藝“被移用到集成電路的制作中，使集成電路很快從實(shí)驗(yàn)室研制試驗(yàn)階段捷入工業(yè)生產(chǎn)階段。1959年，徳克薩斯儀器公司首先宣布建成世界上第一條集成電路生產(chǎn)線。1962年，世界上出現(xiàn)了第一塊集成電路正式商品。雖然這預(yù)示著第三代電于器件已正式登上電于學(xué)舞臺(tái)。不久，世界范圍內(nèi)掀起丁集成電路的研制熱潮。早期的典型硅芯片為毫米見(jiàn)方。60年代初，國(guó)際上出現(xiàn)的集成電路產(chǎn)品，每個(gè)硅片上的元件數(shù)在100個(gè)左右；1967所已達(dá)到1000個(gè)晶體管，這標(biāo)志著大規(guī)模集成階段的開(kāi)端；到1976年，發(fā)展到一個(gè)芯片上可集成1萬(wàn)多個(gè)晶體管；進(jìn)入80年代以來(lái)，一塊硅片上有幾萬(wàn)個(gè)晶體管的大規(guī)模集成電路已經(jīng)很普遍了，并且正在超大規(guī)模集成電路發(fā)展。如今，巳出現(xiàn)屬于第五代的產(chǎn)品，在不到50平方毫米的硅芯片上集成的晶體管數(shù)激增到200萬(wàn)只以上。集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)目前，以集成電路為核心的電于信息產(chǎn)業(yè)超過(guò)了以汽車、石油、鋼鐵為代表的傳統(tǒng)工業(yè)成為第一大產(chǎn)業(yè)，成為改造和拉動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)邁向數(shù)宇時(shí)代的強(qiáng)大引擎和雄厚基石。1999年全球集成電路的銷售額為1250億美元，而以集成電路為核心的電于信息產(chǎn)業(yè)的世界貿(mào)易總額約占世界GNP的3%,現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的數(shù)據(jù)表明，每1~2元的集成電路產(chǎn)值,帶動(dòng)丁10元左右電于工業(yè)產(chǎn)值的形成，進(jìn)而帶動(dòng)丁100元GPP的増長(zhǎng)。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值增長(zhǎng)部分的65%與集成電路相關(guān)；美國(guó)國(guó)防預(yù)算中的電于含昱已占據(jù)丁半蚩江山（2001年為％）。預(yù)計(jì)未來(lái)10年內(nèi)，世界集成電路銷售額將以年平均15%的速度增長(zhǎng),2010年將達(dá)到6000-8000億美元。作為當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，擁有自主版權(quán)的集成電路已日益成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈、社會(huì)進(jìn)步的基礎(chǔ)、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的籌碼和國(guó)家安全的保障。集成電路的集成度和產(chǎn)品性能每18個(gè)月增加一倍。據(jù)專家預(yù)測(cè)，今后20年左右,集成電路技術(shù)及其產(chǎn)品仍將道循這一規(guī)律發(fā)展。集成電路呈重要的生產(chǎn)過(guò)程包括:開(kāi)發(fā)EDA（電于設(shè)計(jì)自動(dòng)化）工具，利用EDA進(jìn)行集成電路設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果在硅圓片上加工芯片（主要流程為薄膜制造、曝光和刻蝕）,對(duì)加工完畢的芯片迸行測(cè)試，為芯片進(jìn)行封裝,最后經(jīng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)將其裝缶到整機(jī)系統(tǒng)上與最終消費(fèi)者見(jiàn)面。20世紀(jì)80年代中期我國(guó)集成電路的加工水平為5微米，其后，經(jīng)歷丁3、1、、、微米的發(fā)展，目前達(dá)到丁微米的水平，而當(dāng)前國(guó)際水平為微米（90納米），我國(guó)與之相差約為2-3代。（1）設(shè)計(jì)工具與設(shè)計(jì)方法。隨著集成電路負(fù)雜程度的不斷提高，單個(gè)芯片容納器件的數(shù)長(zhǎng)急劇增加，其設(shè)計(jì)工具也由最初的手工繪制轉(zhuǎn)為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）,相應(yīng)的設(shè)計(jì)工具根據(jù)市場(chǎng)霽求迅速發(fā)展，出現(xiàn)丁專門的EDA工具供應(yīng)商。目前，EDA主要市場(chǎng)份額為美國(guó)的Cadence.Synopsys和Mentor等少數(shù)企業(yè)所壟斷。中國(guó)華大集成電路設(shè)計(jì)中心是國(guó)內(nèi)唯一一家EPA開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品供應(yīng)商。由于整機(jī)系統(tǒng)不斷向輕、薄、小的方向發(fā)展，集成電路結(jié)構(gòu)也由簡(jiǎn)單功能轉(zhuǎn)向具備更多和更為復(fù)雜的功能，如彩電由5片機(jī)到3片機(jī)直到現(xiàn)在的單片機(jī)，手機(jī)用集成電路也經(jīng)歷了由多片到單片的變化。目前，SoC作為系統(tǒng)級(jí)集成電路，能在單一硅芯片上實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理和I/O等功能，將數(shù)宇電路、存儲(chǔ)器、MPU、MCU、PSP等集成在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整系統(tǒng)的功能。它的制造主要涉及深亞微米技術(shù)，特殊電路的工藝兼容技術(shù)，設(shè)計(jì)方法的研究，嵌入式】P核設(shè)計(jì)技術(shù)，測(cè)試策略和可測(cè)性技術(shù)，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)和安全保密技術(shù)。S<)C以1P復(fù)用為墓礎(chǔ)，把巳有優(yōu)化的于系統(tǒng)甚至系統(tǒng)級(jí)模塊納入到新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中，實(shí)現(xiàn)了集成電路設(shè)計(jì)能力的第4次飛躍。制造工藝與相關(guān)設(shè)備。集成電弗加工制造是一項(xiàng)與專用設(shè)備密切相關(guān)的技術(shù),俗稱"一代設(shè)備，一代工藝,一代產(chǎn)品”。在集成電路制造技術(shù)中，呈關(guān)鍵的是薄膜生成技術(shù)和光刻技術(shù)。光刻技術(shù)的主要設(shè)備是曝光機(jī)和刻蝕機(jī)，目前在130nm的節(jié)點(diǎn)是以193nmDUV(DccpUltravioletLithography)或是以光學(xué)延展的248nmDUV為主要技術(shù),而在lOOnm的節(jié)點(diǎn)上則有多種選擇：157nmDIJV、光學(xué)延展的193nmPLV和NGL。在70nm的節(jié)點(diǎn)則使用光學(xué)延展的157nmDIJV技術(shù)或者選擇NGL技術(shù)。到了35nm的節(jié)點(diǎn)范圍以下，將是NGL所主宰的時(shí)代，霽要在EUV和EPL之間做出選擇。此夕卜,作為新一代的光刻技術(shù),X射線和離于投影光刻技術(shù)也在研究之中。測(cè)試。由于系統(tǒng)芯片(SeC)的測(cè)試成本幾乎占芯片成本的一半，因此未來(lái)集成電路測(cè)試面臨的最大挑戰(zhàn)是如何降低測(cè)試成本。結(jié)構(gòu)測(cè)試和內(nèi)直自測(cè)試可大大縮短測(cè)試開(kāi)發(fā)時(shí)間和降低測(cè)試費(fèi)用。另一種降低測(cè)試成本的測(cè)試方式是采用基于故障的測(cè)試。在廣泛采用將不同的IP核集成在一起的情況下，還雪解決時(shí)鐘異步測(cè)試問(wèn)題。另一個(gè)要解決的問(wèn)題是提高模擬電路的測(cè)試速度。封裝。電于產(chǎn)品向便攜式/小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化方向發(fā)展的市場(chǎng)壽求對(duì)電路組裝技術(shù)提出了苛刻霽求,集成電路封裝技術(shù)正在朝以下方向發(fā)展：裸芯片技術(shù)。主要有COB(ChipOIlBoard)技術(shù)和FlipChip(倒裝片)技術(shù)兩種形式。微組裝技術(shù)。是在高密度多層互連墓板上，采用微焊接和封裝工藝組裝各種微型化片式元器件和半導(dǎo)體集成電路芯片,形成高密度、高速度、高可靠的三維立體機(jī)構(gòu)的高級(jí)微電于組件的技術(shù)，其代表產(chǎn)品為多芯片組件(MCM)o圓片級(jí)封裝。其主宴特征是：器件的外引出端和包封體是在巳經(jīng)過(guò)前工序的硅圓片上完成,然后將這類圓片直接切割分藹成單個(gè)獨(dú)立器件。無(wú)焊內(nèi)逹層(BumplessBuild-UpLayer,BBL1L)技術(shù)。該技術(shù)能使CP1J內(nèi)集成的晶體管數(shù)星達(dá)到10億個(gè)，并且在高達(dá)20GHz的主頻下運(yùn)行，從而使CPU達(dá)到每秒1億次的運(yùn)算速度。此外JBBUL封裝技術(shù)還能在同一封裝中支持多個(gè)處理器，因此服務(wù)器的處理器可以在一個(gè)封裝中有2個(gè)內(nèi)枝，從而比獨(dú)立封裝的雙處理器獲得更高的運(yùn)算速度。此外、BBUL封裝技術(shù)還能降低CP1J的電源消耗，進(jìn)而可減少高頻產(chǎn)生的熱長(zhǎng)。材料。集成電路的最初材料是錯(cuò)，而后為硅，一些特種集成電站(如光電器件)也采用三五族(如碎化稼)或二六族元素(如硫化鎘、誡化錮)構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體。由于硅在電學(xué)、物理和經(jīng)濟(jì)方面具有不可替代的優(yōu)越性，故目前硅仍占據(jù)集成電笳材料的主流地位。鑒于在同樣芯片面積的情況下，硅凰片直徑越大，其經(jīng)濟(jì)'性能就越優(yōu)越，因此硅單晶材料的直徑經(jīng)歷丁1、2、3、5、6、8英寸的歷史進(jìn)程，目前，國(guó)內(nèi)外加工廠多采用8英寸和12英寸硅片生產(chǎn),16和18英寸(450mm)的硅單晶及其設(shè)旨正在開(kāi)發(fā)之中，預(yù)計(jì)2016年左右18英寸硅片將投入生產(chǎn)。此外，為了適應(yīng)高頻、高速、高帶寬的微波集成電路的雪求,SoI(Silicon-on-Insulator)材料，化合物半導(dǎo)體材料和錯(cuò)硅等材料的研發(fā)也有不同程度的進(jìn)展。應(yīng)用。應(yīng)用是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是集成電路最終進(jìn)入消費(fèi)者手中的必經(jīng)之途。除眾所周知的計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)類產(chǎn)品的應(yīng)用外，集成電路正在不斷開(kāi)拓新的應(yīng)用領(lǐng)域，諸如微機(jī)電系統(tǒng)，微光機(jī)電系統(tǒng)，生物芯片(如ONA芯片)，超導(dǎo)等。這些創(chuàng)新的應(yīng)用領(lǐng)域正在形成新的產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)點(diǎn)。基礎(chǔ)研究。基礎(chǔ)研究的主要內(nèi)容是開(kāi)發(fā)新原理器件,包括:共振隧穿器件(RTD)、單電于晶體管(SET)、長(zhǎng)子電于器件、分于電于器件、自旋電于器件等。技術(shù)的發(fā)展使微電于在21世紀(jì)進(jìn)入了納米領(lǐng)域，而納電于學(xué)將為集成電路帶來(lái)一場(chǎng)新的革命。鄧中翰和他的中國(guó)芯1990年中國(guó)科技大學(xué)一位三年級(jí)的大學(xué)生獲得了全國(guó)大學(xué)生科技競(jìng)賽“挑戰(zhàn)杯”獎(jiǎng)，15年后的今天，這位36歲的電于工程學(xué)博士又在全國(guó)留學(xué)歸國(guó)人員中率先摘取丁“國(guó)家科技迸步獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)的桂冠。他就是本屆中國(guó)青年五四獎(jiǎng)宣獲得者鄧中翰。1999年正在美國(guó)硅谷領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)用于衛(wèi)星、監(jiān)控、外太空探測(cè)高端平行數(shù)位成像技術(shù)的鄧中翰應(yīng)邀回國(guó)，肩負(fù)起了“星光中國(guó)芯工程”總指揮的重任。這是一項(xiàng)以數(shù)宇多媒體為突破口，促進(jìn)集成電站產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大攻關(guān)項(xiàng)目。鄧中翰和他的同事們?cè)趪?guó)家有關(guān)部門的大力支持和領(lǐng)導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)1800多個(gè)日日夜夜的艱苦攻關(guān)，成功研制開(kāi)發(fā)出丁具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和國(guó)際領(lǐng)先水平的“星光中國(guó)芯”五代數(shù)宇多媒體芯片。這項(xiàng)成果實(shí)現(xiàn)了七大核心技術(shù)突破，并申請(qǐng)丁該領(lǐng)域的400多個(gè)國(guó)內(nèi)外專利。中國(guó)芯先后被三星、飛利浦、惠普等一批國(guó)際知若企業(yè)大長(zhǎng)采用，已占計(jì)算機(jī)圖像輸入芯片國(guó)際市場(chǎng)份額的60%,如今中國(guó)芯這一國(guó)際知若的1C品牌覆蓋了歐美和亞太地區(qū)。這是我國(guó)具有自

主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集成電路芯片第一次在一個(gè)重荽的領(lǐng)域達(dá)到全球市場(chǎng)領(lǐng)先地位。第九屆中國(guó)青年五四獎(jiǎng)?wù)芦@得者鄧中翰：我在硅谷的時(shí)候也做研發(fā)，也做芯片，但是感覺(jué)是完全不一樣的，因?yàn)樽龀鰜?lái)任何結(jié)果是別人的，回到祖國(guó)之后，我們所做的任何一個(gè)“中國(guó)芯”的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)是屬于我們國(guó)家的，每當(dāng)想起把自己的青春和自己知識(shí)與國(guó)家的發(fā)展相結(jié)臺(tái)，我就感覺(jué)到渾身就有使不完的力?，F(xiàn)在，鄧中翰和他的團(tuán)隊(duì)又開(kāi)始向移動(dòng)多媒體的應(yīng)用等新的技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)軍，打造更多更好的中國(guó)芯。陋用芯用?漢芯2號(hào)是我國(guó)首顆以1P專利授權(quán)的方式迸入國(guó)際市場(chǎng)的“中國(guó)芯”，國(guó)外公司在其產(chǎn)品中嵌入漢芯2號(hào)雲(yún)繳納一定數(shù)額的專利費(fèi)；而漢芯3號(hào)則申請(qǐng)了6項(xiàng)專利，IBM將在其系統(tǒng)整機(jī)方案中采用該芯片。?采用動(dòng)態(tài)流水線結(jié)構(gòu)，定點(diǎn)和浮點(diǎn)最高運(yùn)算速度均超過(guò)每秒2億次，與英特爾的奔騰II芯片性能大致相當(dāng)，在總體上達(dá)到了1997年前后的國(guó)際先進(jìn)水平。?2004年6月，中科院計(jì)算所將研發(fā)出實(shí)際性能與奔騰4水平相當(dāng)?shù)摹褒埿?號(hào)”通用CPU,比“龍芯1號(hào)”性能提高10至15倍。?威盛公司的首席執(zhí)行官陳文奇9月24日稱將在年底前推出世界上曇小的桌面處理器。?實(shí)現(xiàn)丁與市場(chǎng)上最通用指令的完全兼容，可運(yùn)行D（）S、WINDOWS等主流操作系統(tǒng)。［嵌入式芯用?2001年3月問(wèn)世,是第一個(gè)打迸國(guó)際市場(chǎng)的中國(guó)芯片。?2002年?2001年3月問(wèn)世,是第一個(gè)打迸國(guó)際市場(chǎng)的中國(guó)芯片。?2002年5月問(wèn)世,是全球第一個(gè)音頻視頻同體的圖像處理芯片。?2002年9月問(wèn)世,是中國(guó)第一塊具有CPU驅(qū)動(dòng)的圖像處理芯片。?2003年2月問(wèn)世,是中國(guó)第一塊移動(dòng)多媒體芯片。?2003年6月研發(fā)成功并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并被中國(guó)電信指定為可視通信芯片標(biāo)準(zhǔn)。?2003年12月8日，北大眾志?863系列的CPU系統(tǒng)芯片由北京大學(xué)微處理器