集成電路發(fā)展史

集成電路發(fā)展史集成電路對一般人來說也許會有陌生感，但其實我們和它打交道的機會很多。計算機、電視機、手機、網(wǎng)站、取款機等等，數(shù)不勝數(shù)。除此之外在航空航天、星際飛行、醫(yī)療衛(wèi)生、交通運輸、武器裝備等許多領域，幾乎都離不開集成電路的應用，當今世界，說它無孔不入并不過分。在當今這信息化的社會中,集成電路已成為各行各業(yè)實現(xiàn)信息化、智能化的基礎。無論是在軍事還是民用上,它已起著不可替代的作用。1

集成電路概述所謂集成電路（IC），就是在一塊極小的硅單晶片上，利用半導體工藝制作上許多晶體二極管、三極管及電阻、電容等元件，并連接成完成特定電子技術功能的電子電路。從外觀上看，它已成為一個不可分割的完整器件，集成電路在體積、重量、耗電、壽命、可靠性及電性能方面遠遠優(yōu)于晶體管元件組成的電路，目前為止已廣泛應用于電子設備、儀器儀表及電視機、錄像機等電子設備中。[1]2

集成電路發(fā)展及其影響2.1集成電路的發(fā)展集成電路的發(fā)展經(jīng)歷了一個漫長的過程，以下以時間順序，簡述一下它的發(fā)展過程。1906年，第一個電子管誕生；1912年前后，電子管的制作日趨成熟引發(fā)了無線電技術的發(fā)展；1918年前后，逐步發(fā)現(xiàn)了半導體材料；1920年，發(fā)現(xiàn)半導體材料所具有的光敏特性；1932年前后，運用量子學說建立了能帶理論研究半導體現(xiàn)象；1956年，硅臺面晶體管問世；1960年12月，世界上第一塊硅集成電路制造成功；1966年，美國貝爾實驗室使用比較完善的硅外延平面工藝制造成第一塊公認的大規(guī)模集成電路。[2]1988年：16MDRAM問世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500萬個晶體管，標志著進入超大規(guī)模集成電路階段的更高階段。1997年：300MHz奔騰Ⅱ問世,采用0.25μｍ工藝，奔騰系列芯片的推出讓計算機的發(fā)展如虎添翼，發(fā)展速度讓人驚嘆。2009年：intel酷睿i系列全新推出，創(chuàng)紀錄采用了領先的32納米工藝，并且下一代22納米工藝正在研發(fā)。集成電路制作工藝的日益成熟和各集成電路廠商的不斷競爭，使集成電路發(fā)揮了它更大的功能，更好的服務于社會。由此集成電路從產(chǎn)生到成熟大致經(jīng)歷了如下過程：[3]電子管——晶體管——集成電路——超大規(guī)模集成電路2.1.1集成電路的前奏——電子管、晶體管電子管，是一種在氣密性封閉容器中產(chǎn)生電流傳導，利用電場對真空中的電子流的作用以獲得信號放大或振蕩的電子器件。由于電子管體積大、功耗大、發(fā)熱厲害、壽命短、電源利用效率低、結構脆弱而且需要高壓電源的缺點，很快就不適合發(fā)展的需求，被淘汰的命運就沒躲過。[4]晶體管，是一種固體半導體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其它功能。晶體管很快就成為計算機“理想的神經(jīng)細胞”，從而得到廣泛的使用。雖然晶體管的功能比電子管大了很多，但由于電子信息技術的發(fā)展，晶體管也越來越不適合科技的發(fā)展，隨之出現(xiàn)的就是能力更強的集成電路了。2.1.2集成電路的誕生幾根零亂的電線將五個電子元件連接在一起，就形成了歷史上第一個集成電路。雖然它看起來并不美觀，但事實證明，其工作效能要比使用離散的部件要高得多。歷史上第一個集成電路出自杰克-基爾比之手。當時，晶體管的發(fā)明彌補了電子管的不足，但工程師們很快又遇到了新的麻煩。為了制作和使用電子電路，工程師不得不親自手工組裝和連接各種分立元件，如晶體管、二極管、電容器等。其實，在20世紀50年代，許多工程師都想到了這種集成電路的概念。美國仙童公司聯(lián)合創(chuàng)始人羅伯特-諾伊斯就是其中之一。在基爾比研制出第一塊可使用的集成電路后，諾伊斯提出了一種“半導體設備與鉛結構”模型。1960年，仙童公司制造出第一塊可以實際使用的單片集成電路。諾伊斯的方案最終成為集成電路大規(guī)模生產(chǎn)中的實用技術?；鶢柋群椭Z伊斯都被授予“美國國家科學獎章”。他們被公認為集成電路共同發(fā)明者。以后，隨著集成電路芯片封裝技術的應用，解決了集成電路免受外力或環(huán)境因素導致的破壞的問題。集成電路芯片封裝是指利用膜技術及微細加工技術，將芯片及其他重要要素在框架或基板上布置、粘貼固定及連接，引出接線端子并通過可塑性絕緣介質(zhì)灌封固定，構成整體立體結構的工藝。這樣按電子設備整機要求機型連接和裝配，實現(xiàn)電子的、物理的功能，使之轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于整機或系統(tǒng)的形式，就大大加速了集成電路工藝的發(fā)展。隨著電子技術的繼續(xù)發(fā)展，超大規(guī)模集成電路應運而生。1967年出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路，集成度迅速提高；1977年超大規(guī)模集成電路面世，一個硅晶片中已經(jīng)可以集成15萬個以上的晶體管；1988年，16MDRAM問世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500萬個晶體管，標志著進入超大規(guī)模集成電路（VLSI）階段；1997年，300MHz奔騰Ⅱ問世,采用0.25μｍ工藝，奔騰系列芯片的推出讓計算機的發(fā)展如虎添翼，發(fā)展速度讓人驚嘆，至此，超大規(guī)模集成電路的發(fā)展又到了一個新的高度。2009年，intel酷睿i系列全新推出，創(chuàng)紀錄采用了領先的32納米工藝，并且下一代22納米工藝正在研發(fā)。集成電路的集成度從小規(guī)模到大規(guī)模、再到超大規(guī)模的迅速發(fā)展，關鍵就在于集成電路的布圖設計水平的迅速提高，集成電路的布圖設計由此而日益復雜而精密。這些技術的發(fā)展，使得集成電路的發(fā)展進入了一個新的發(fā)展的里程碑。相信隨著科技的發(fā)展，集成電路還會有更高的發(fā)展。[11]中國的集成電路產(chǎn)業(yè)起步于20世紀60年代中期，1976年，中國科學院計算機研究所研制成功1000萬次大型電子計算機所使用的電路為中國科學院109廠研制的ECL型電路；1986年，電子部提出“七五”期間，我國集成電路技術“531”發(fā)展戰(zhàn)略，即推進5微米技術，開發(fā)3微米技術，進行1微米技術科技攻關；1995年，電子部提出“九五”集成電路發(fā)展戰(zhàn)略：以市場為導向，以CAD為突破口，產(chǎn)學研用相結合以我為主，開展國際合作，強化投資；在2003年，中國半導體占世界半導體銷售額的9%，電子市場達到860億美元，中國成為世界第二大半導體市場，中國中高技術產(chǎn)品的需求將成為國民經(jīng)濟新的增長動力。到現(xiàn)在已經(jīng)初具規(guī)模，形成了產(chǎn)品設計、芯片制造、電路封裝共同發(fā)展的態(tài)勢。我們相信，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和對集成電路的重視程度的提高，我國集成電路事業(yè)也會有更大的發(fā)展！[12]2.2集成電路發(fā)展對世界經(jīng)濟的影響在上個世紀八十年代初期，消費類電子產(chǎn)品(立體聲收音機、彩色電視機和盒式錄相機)是半導體需求的主要推動力。從八十年代末開始，個人計算機成為半導體需求強大的推動力。至今，PC仍然推動著半導體產(chǎn)品的需求。從九十年代至今，通信與計算機一起占領了世界半導體需求的2／3。其中，通信的增長最快。信息技術正在改變我們的生活，影響著我們的工作。信息技術在提高企業(yè)競爭力的同時，已成為世界經(jīng)濟增長的新動力。2004年，亞太地區(qū)已成為世界最大的半導體市場，其主要的推動力是中國國內(nèi)需求的增長和中國作為世界生產(chǎn)基地所帶來的快速增長。電子終端產(chǎn)品的生產(chǎn)將不斷從日本和亞洲其他地區(qū)轉(zhuǎn)移到中國。[13]3

集成電路分類3.1按功能分按其功能不同可分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。前者用來產(chǎn)生、放大和處理各種模擬電信號；后者則用來產(chǎn)生、放大和處理各種數(shù)字電信號。所謂模擬信號，是指幅度隨時間連續(xù)變化的信號。例如，人對著話筒講話，話筒輸出的音頻電信號就是模擬信號，收音機、收錄機、音響設備及電視機中接收、放大的音頻信號、電視信號，也是模擬信號。所謂數(shù)字信號，是指在時間上和幅度上離散取值的信號，例如，電報電碼信號，按一下電鍵，產(chǎn)生一個電信號，而產(chǎn)生的電信號是不連續(xù)的。這種不連續(xù)的電信號，一般叫做電脈沖或脈沖信號，計算機中運行的信號是脈沖信號，但這些脈沖信號均代表著確切的數(shù)字，因而又叫做數(shù)字信號。在電子技術中，通常又把模擬信號以外的非連續(xù)變化的信號，統(tǒng)稱為數(shù)字信號。目前，在家電維修中或一般性電子制作中，所遇到的主要是模擬信號；那么，接觸最多的將是模擬集成電路。3.2按制作工藝分集成電路按其制作工藝不同，可分為半導體集成電路、膜集成電路和混合集成電路三類。半導體集成電路是采用半導體工藝技術，在硅基片上制作包括電阻、電容、三極管、二極管等元器件并具有某種電路功能的集成電路；膜集成電路是在玻璃或陶瓷片等絕緣物體上，以“膜”的形式制作電阻、電容等無源器件。無源元件的數(shù)值范圍可以作得很寬，精度可以作得很高。但目前的技術水平尚無法用“膜”的形式制作晶體二極管、三極管等有源器件，因而使膜集成電路的應用范圍受到很大的限制。在實際應用中，多半是在無源膜電路上外加半導體集成電路或分立元件的二極管、三極管等有源器件，使之構成一個整體，這便是混合集成電路。根據(jù)膜的厚薄不同，膜集成電路又分為厚膜集成電路（膜厚為1μm～10μm）和薄膜集成電路（膜厚為1μm以下）兩種。在家電維修和一般性電子制作過程中遇到的主要是半導體集成電路、厚膜電路及少量的混合集成電路。3.3按高低分按集成度高低不同，可分為小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路四類。對模擬集成電路，由于工藝要求較高、電路又較復雜，所以一般認為集成50個以下元器件為小規(guī)模集成電路，集成50－100個元器件為中規(guī)模集成電路，集成100個以上的元器件為大規(guī)模集成電路；對數(shù)字集成電路，一般認為集成1～10等效門／片或10～100個元件／片為小規(guī)模集成電路，集成10～100個等效門／片或100～1000元件／片為中規(guī)模集成電路，集成100～10,000個等效門／片或1000～100,000個元件／片為大規(guī)模集成電路，集成10,000以上個等效門／片或100,000以上個元件／片為超大規(guī)模集成電路。3.4按導電類型分按導電類型不同，分為雙極型集成電路和單極型集成電路兩類。前者頻率特性好，但功耗較大，而且制作工藝復雜，絕大多數(shù)模擬集成電路以及數(shù)字集成電路中的TTL、ECL、HTL、LSTTL、STTL型屬于這一類。后者工作速度低，但輸人阻抗高、功耗小、制作工藝簡單、易于大規(guī)模集成，其主要產(chǎn)品為MOS型集成電路。MOS電路又分為NMOS、PMOS、CMOS型。4

集成電路應用領域4.1在計算機的應用隨著集成了上千甚至上萬個電子元件的大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，電子計算機發(fā)展進入了第四代。第四代計算機的基本元件是大規(guī)模集成電路，甚至超大規(guī)模集成電路，集成度很高的半導體存儲器替代了磁芯存儲器，運算速度可達每秒幾百萬次，甚至上億次基本運算。[20]計算機主要部分幾乎都和集成電路有關，CPU、顯卡、主板、內(nèi)存、聲卡、網(wǎng)卡、光驅(qū)等等，無不與集成電路有關。并且專家通過最新技術把越來越多的元件集成到一塊集成電路板上，并使計算機擁有了更多功能，在此基礎上產(chǎn)生許多新型計算機，如掌上電腦、指紋識別電腦、聲控計算機等等。隨著高新技術的發(fā)展必將會有越來越多的高新計算機出現(xiàn)在我們面前。4.2在通信上的應用集成電路在通信中應用廣泛，諸如通信衛(wèi)星，手機，雷達等，我國自主研發(fā)的“北斗”導航系統(tǒng)就是其中典型一例。“北斗”導航系統(tǒng)是我國具有自主知識產(chǎn)權的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，與美國GPS、俄羅斯格羅納斯、歐盟伽利略系統(tǒng)并稱為全球4大衛(wèi)星導航系統(tǒng)。它的研究成功，打破了衛(wèi)星定位導航應用市場由國外GPS壟斷的局面。前不久，我國已成功發(fā)射了第二代北斗導航試驗衛(wèi)星，未來將形成由５顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡，我國自主衛(wèi)星定位導航正在由試驗向應用快速發(fā)展。將替代“北斗”導航系統(tǒng)內(nèi)國外芯片的“領航一號”，還可廣泛應用于海陸空交通運輸、有線和無線通信、地質(zhì)勘探、資源調(diào)查、森林防火、醫(yī)療急救、海上搜救、精密測量、目標監(jiān)控等領域。近年來,隨著高新技術的迅猛發(fā)展,雷達技術有了較大的發(fā)展空間,雷達與反雷達的相對平衡狀態(tài)不斷被打破。有源相控陣是近年來正在迅速發(fā)展的雷達新技術,它將成為提高雷達在惡劣電磁環(huán)境下對付快速、機動及隱身目標的一項關鍵技術。有源相控陣雷達是集現(xiàn)代相控陣理論、超大規(guī)模集成電路、高速計算機、先進固態(tài)器件及光電子技術為一體的高新技術產(chǎn)物。[23]相比之下毫米波雷達具有導引精度高、抗干擾能力強、多普勒分辨率高、等離子體穿透能力強等特點；因此其廣泛的用于末制導、引信、工業(yè)、醫(yī)療等方面。無論是軍用還是民用，都對毫米波雷達技術有廣泛的需求，遠程毫米波雷達在發(fā)展航天事業(yè)上有廣泛的應用前景，是解決對遠距離、多批、高速飛行的空間目標的精細觀測和精確制導的關鍵手段?？梢灶A料各種戰(zhàn)術、戰(zhàn)略應用的毫米波雷達將逐漸增多。4.3在醫(yī)學上的應用隨著社會的發(fā)展和科學技術的不斷進步，人們對醫(yī)療健康、生活質(zhì)量、疾病護理等方面提出了越來越高的要求。同時，依托于高新領域電子技術的各種治療和監(jiān)護手段越來越先進，也使得醫(yī)療產(chǎn)品突破了以往觀念的約束和限制，在信息化、微型化、實用化等方面得到了長足發(fā)展。諸多專家從醫(yī)療健康領域的需求分析入手，從集成電路技術的角度對醫(yī)療健康領域的應用的關鍵技術（現(xiàn)狀和前景）做了大致的分析探討。隨著集成電路越來越多的滲入現(xiàn)代醫(yī)學，現(xiàn)代醫(yī)學有了長足進步。在醫(yī)學管理方面IC卡醫(yī)療儀器管理系統(tǒng)就是典型代表。IC卡醫(yī)療儀器管理系統(tǒng)集IC卡、監(jiān)控、計算機網(wǎng)絡管理于一體，憑卡檢查，電子自動計時計次，可實現(xiàn)充值、打印，報表功能。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運行可靠；控制醫(yī)療外部關鍵部位，不與醫(yī)療儀器內(nèi)部線路連接，不影響醫(yī)療儀器性能，不產(chǎn)生任何干擾；管理機與智能床有機結合，分析計次；影像系統(tǒng)自動識別，有效解決病人復查問題；輕松實現(xiàn)網(wǎng)絡化管理，可隨時查閱檔案記錄，統(tǒng)計任意時間內(nèi)的就醫(yī)人數(shù)。在健康應用方面，臨時心臟起搏器作為治療各種病因?qū)е碌囊贿^性緩慢型心律失常及植入永久心臟起搏器前的過渡性治療，已廣泛應用于臨床工作，技術成熟。在非心臟的外科手術患者中合并有心動過緩及傳導阻滯者，在圍手術期可因為麻醉、藥物及手術的影響，加重心動過緩及傳導阻滯，增加了手術風險，限制了外科手術的開展，而植入臨時心臟起搏器可有效解決上述問題，增加此類患者圍手術期的安全性。[29]磁振造影儀是一種新型醫(yī)療設備，對于治療許多疾病有它獨特的功效。磁振造影儀（MRI）是利用磁振造影的原理，將人體置于強大均勻的靜磁場中，透過特定的無線電波脈沖來改變區(qū)域磁場，藉此激發(fā)人體組織內(nèi)的氫原子核產(chǎn)生共振現(xiàn)象，而發(fā)生磁矩變化訊號。因為身體中有不同的組織及成份，性質(zhì)也各異，所以會產(chǎn)生大小不同的訊號，再經(jīng)由計算機運算及變換為影像，將人體的剖面組織構造及病灶呈現(xiàn)為各種切面的斷層影像。身體幾乎任何部位皆可執(zhí)行MRI檢查，影像非常清晰與細膩，尤其是對軟組織的顯影，不是任何其它醫(yī)學影像系統(tǒng)所能比擬的。目前常用的MRI影像乃是依據(jù)各組織內(nèi)核磁共振訊號所建立的，氫是人體組織中最多的成份，因此MRI影像可診斷各種疾病，包括腦部癌病、水腫、血梗，神經(jīng)的脫鞘與脂肪不正常分布，鐵成份的沉積性疾病、出血，以及心肌不正常收縮等。MRI的優(yōu)點除了不須要侵入人體，即可得人體各種結構組織之任意截面剖面圖，且可獲取其它眾多的物理參數(shù)信息，MRI檢查在國內(nèi)外十幾年來至今尚未發(fā)現(xiàn)對人體有任何副作用。[31]4.4在生活中的應用提到集成電路我們就不得不提到我們的日常生活，在我們生活中與集成電路有關的產(chǎn)品隨處可見。手機、電視、數(shù)碼相機、攝像機等都與我們的生活關系越來越近。隨著技術的進步和社會的發(fā)展，手機以其獨特的傳播功能，日益成為人們獲取信息、學習知識、交流思想的重要工具，成為文化傳播的重要平臺。目前，我國已有手機用戶5億多，形成以手機為載體的網(wǎng)站、報紙、出版物等新的文化。手機功能和手機款式也在不斷更新，以適應現(xiàn)代人們生活的要求。各種各樣的手機接連問世，從小靈通到具有攝像功能的高新手機，手機行業(yè)正在以驚人沖擊人們的思維和眼界。在科學技術與信息同步變革的社會發(fā)展過程中，電視傳播對整個社會的支配影響作用十分明顯。由于電視是一種變化多端的實踐、技巧和技術，于是家庭本身也變成了一種家庭技術的復雜網(wǎng)絡。正如電通過電視、電腦、電信技術與外部重新建立新的聯(lián)系一樣，電視重組了家庭的時間、空間、家庭閑暇和家庭角色。正因此，電視傳播逐步地融入了大眾生活，使人們生活方式和價值觀均發(fā)生了深刻的變化。伴隨著現(xiàn)代社會節(jié)奏的加快，外界娛樂費用的增漲，電視傳播的普及，已經(jīng)為人們呆在家中提供了充足的理由和條件，足不出戶卻可以感受社會交談帶來的人際交際感覺。此外，電視傳播對于農(nóng)村家庭的經(jīng)濟發(fā)展、社會的信息流通和大眾家庭的教育都有很大的作用，電視傳播也影響了家庭的裝修風格與布局，由于電視裝置在家庭中占據(jù)空間的原因，出現(xiàn)了電視裝修墻以求美觀。5

集成電路未來發(fā)展趨勢及新技術5.1集成電路發(fā)展趨勢隨著集成方法學和微細加工技術的持續(xù)成熟和不斷發(fā)展，以及集成技術應用領域的不斷擴大，集成電路的發(fā)展趨勢將呈現(xiàn)小型化、系統(tǒng)化和關聯(lián)性的態(tài)勢。[36][13]5.1.1器件特征尺寸不斷縮小自1965年以來，集成電路持續(xù)地按摩爾定律增長，即集成電路中晶體管的數(shù)目每18個月增加一倍。每2～3年制造技術更新一代，這是基于柵長不斷縮小的結果，器件柵長的縮小又基本上依照等比例縮小的原則，同時促進了其它工藝參數(shù)的提高。預計在未來的10～15年，摩爾定律仍將是集成電路發(fā)展所遵循的一條定律，按此規(guī)律，CMOS器件從亞半微米進入納米時代，即器件的柵長小于100nm轉(zhuǎn)到小于50nm的時間將在2010年前后。5.1.2系統(tǒng)集成芯片(SoC)隨著集成電路技術的持續(xù)發(fā)展，不同類型的集成電路相互鑲嵌，已形成了各種嵌入式系統(tǒng)(EmbeddedSystem)和片上系統(tǒng)(SystemonChip即oC)技術。也就是說，在實現(xiàn)從集成電路(IC)到系統(tǒng)集成(IS)的過渡中，可以將一個電子子系統(tǒng)或整個電子系統(tǒng)集成在一個芯片上，從而完成信息的加工與處理功能。SoC作為系統(tǒng)級集成電路，它可在單一芯片上實現(xiàn)信號采集、轉(zhuǎn)換、存儲、處理和I/O等功能，它將數(shù)字電路、存儲器、MPU、MCU、DSP等集成在一塊芯片上，從而實現(xiàn)一個完整的系統(tǒng)功能。SoC的制造主要涉及深亞微米技術、特殊電路的工藝兼容技術、設計方法的研究、嵌入式IP核設計技術、測試策略和可測性技術以及軟硬件協(xié)同設計技術和安全保密技術。SoC以IP復用為基礎，把已有優(yōu)化的子系統(tǒng)甚至系統(tǒng)級模塊納入到新的系統(tǒng)設計之中，從而實現(xiàn)集成電路設計能力的第4次飛躍，并必將導致又一次以系統(tǒng)芯片為特色的信息產(chǎn)業(yè)革命。5.1.3學科結合將帶動關聯(lián)發(fā)展微細加工技術的不斷成熟和應用領域的不斷擴大，必將帶動一系列交叉學科及其有關技術的發(fā)展，例如微電子機械系統(tǒng)、微光電系統(tǒng)、DNA芯片、二元光學、化學分析芯片以及作為電子科學和生物科學結合的產(chǎn)物———生物芯片的研究開發(fā)等，它們都將取得明顯進展。5.1.4未來應用應用是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是集成電路最終進入消費者手中的必經(jīng)之途。除眾所周知的計算機、通信、網(wǎng)絡、消費類產(chǎn)品的應用外，集成電路正在不斷開拓新的應用領域。諸如微機電系統(tǒng),微光機電系統(tǒng)、生物芯片(如DNA芯片)、超導等，這些創(chuàng)新的應用領域正在形成新的產(chǎn)業(yè)增長點。5.2集成電路發(fā)展新技術按目前情況預測，15年后，半導體上一個實體的柵長將只有9nm，這就需要更微細且精確的技術突破，這首先會集中在生產(chǎn)材料的物理性質(zhì)以及工藝設計等能力上。而能否順利突破這些障礙，晶圓制造工藝能否達到