1.1 集成电路的发展

对于了解微电子（Microelectronics）和集成电路的人来说，这是一个老生常谈的话题，但是做这样一个回顾，可以让我们看到的是集成电路的发展之路，而且发展得那么快，那么重要，离我们的生活是那么近。

微电子是近年来越来越常见的一个技术名词，微电子技术是现代高新技术的核心技术，技术面涵盖半导体材料和器件、集成电路制造和系统集成等高新科技的基础领域。微电子学是现代航天科技、信息技术和微观技术研究的基础科学，集成电路是微电子制造的一种具体形式，纳米电子学是微电子学的延伸。

1.1.1 集成电路的发展从晶体管的诞生开始

追溯微电子技术的起源，应首先是从半导体晶体管（Transistor）的发明开始。半导体物理学（Semiconductor Physics）是固体物理学（Solid State Physics）的一个分支学科，主要研究半导体中原子状态和电子状态两个方面。前者以晶体结构学和晶格力学为基础，后者则以固体电子论和能带理论为依据。微电子学就是建立在半导体和固体物理学的基础之上，结合电子器件、电子电路、无线电通信和系统集成发展起来的成为多个领域的基础学科。

集成电路是微电子学的一个分支，微电子学又从属于固体电子学（Solid State Electronics），电子学的基础是电子电路，电路是什么呢？电路是电流的通路，就像公路一样，只是电路跑的是电流而不是车流，同样要遵守“交通”规则。道路路口的信号灯规定的“行”还是“停”对应于电路的“导通”和“截止”，高速公路和普通公路的速度不一样，上班高峰和其他时间道路的拥挤程度不一样，偶尔出个交通事故也是正常现象，这些都可以在电路中找到对应的现象，只是电路遵守的是电路的规则而已，电路的问题要用电路的方法解决。公路最重要的是交叉路口的管理，电路最重要的是电流的有无，导通和截止是电路的基本性质，导通的程度是电路的工作条件，一直导通就是导体，一直不通就是绝缘体，而半导体才是电路所需要的，学过电子线路的人都知道二极管（Diode）的单向导电性，可以说二极管是电路中最重要的基本元件。

利用半导体材料制成的各种电子器件统称为半导体器件。早在20世纪初，人们通过矿石检波器就知道半导体这种物质，当时有人就制出了点接触矿石检波器，它实际就是最早的半导体检波器件，这种检波的特性其实就是二极管的单向导电性的特质，随后开始了基于二极管PN结理论的晶体管到集成电路的发展之路。

在1930年前后，用氧化铜制出了整流器（晶体二极管），并在工业上得到了广泛的应用，这使人们开始重视半导体技术的研究。当无线电技术发展到微波领域以后，如雷达技术的发展，对检波器的要求越来越高，电子管便显露出了一系列的缺点，人们发现晶体检波器的微波特性要比真空二极管理想得多，从而更加推动了半导体晶体管的研究工作，不久就制出了锗二极管检波器，并得到了广泛的应用。

晶体二极管的广泛应用，推动了锗、硅半导体材料的制备和半导体理论的研究。1948年，肖克莱等发明锗点接触二极管，世界上也制出第一只点接触晶体晶体管；1949年，建立了PN结理论；1951年，用合金法制出了结型晶体管；半导体技术成为富有前途的新领域。随着半导体理论、半导体工艺和半导体材料的不断发展，晶体管的品种增多，质量也在不断提高，同期半导体平面工艺也发展起来，1958年前后，美国Robert Noyce和Jack Kelby两人几乎同时发明了集成电路技术，晶体管半导体由器件领域的应用跨入了电路应用领域，微电子技术发展到了集成电路时代。

表1.1是晶体管发展的里程碑，表1.2是集成电路发展的里程碑，表1.3是集成电路工艺制造发展的里程碑，表1.4是集成电路规模的发展表。

多年来，IC的芯片晶体管规模一直在不断发展，同时也产生多种晶体管类型（包括双极型和MOS型等），直至集成电路的存储器、处理器的出现和发展。SDRAM的工艺精度也被广泛用来代表集成电路的制造水平和集成度的衡量标志。

图1.1是集成电路特征尺寸的进展，图1.2是IC集成度的进展，表1.5是集成电路规划的代次指标。

集成电路制造一直遵循摩尔定律，即集成度每3年翻2番的速度增长；加工工艺的特征宽度每3年以30%左右的速度缩小。集成度的提高包括缩小特征尺寸和加大硅圆片的面积，遵循IC摩尔定律，硅（Si）晶圆片的直径尺寸包括最初2"（2英寸≈50mm）、3"（3英寸≈75mm）到4"（100mm）、5"（125mm）、6"（150mm）至现在常用的8"（200mm）、12"（250mm），16"（400mm）和18"（450mm）的晶圆片也已可以量产了。

总之，自1958年TI公司研制成功世界上第一块集成电路以来，其集成度一直遵循着的“每3年翻2番”的摩尔规律，通过器件的发明创造和工艺的不断改进提高，先后经历了SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI（SLSI）到今天的GLSI，集成电路技术涵盖了近半世纪以来人类在科学技术前沿所取得的重要成就。

1.1.2 集成电路的发展动力和方向

微电子技术不仅推动了计算机硬件的发展，在现在高性能、大容量的硬件支撑下，计算机的软件业也获得了飞速的发展。并且，随着计算机软硬件的发展，计算机网络也走进我们的社会。与此同时，虚拟技术也有了滋生繁衍的土壤。网络和虚拟技术的发展，将我们的社会引入信息时代。社会的信息化加速了微电子技术的发展，集成电路已经嵌入了各个应用领域，种类也很多，满足这些方面的需求成为IC的发展动力和发展方向。

1.发展动力

每个不同时代，社会的需求就是IC发展的需要：

1960s——军事用途；

1970s——大型计算机；

1980s——微型计算机；

1990s早期——PC/网络；

1990s后期——手机/通信；

2000s——数字电视/数码相机/数字摄录机/汽车电子/医疗电子等。

集成电路的产品种类也更加丰富，常用的包括微处理器（Microprocessor）、模拟电路（Analog）、动态随机存储器（DRAM）、离散电路（Discrete）、微控制器（Microcontroller）、外围电路（Microperipherals）、闪存（Flash Memory）、特殊的逻辑（SpecialPurpose Logic）、光电（Optoelectronics）、标准单元逻辑（Standard Cell Logic）、静态随机存储器（SRAM）、数字信号处理器（DSP）、场可编程逻辑器件（FPLD）和传感器（Sensors）。

随着各种应用对信息的多媒体、网络化、个体化，计算机、通信和消费电子融为一体的需求，人们要求更快的通信传输、处理速度和更大量的数据存储能力。

运算、存储、数据交换（有线/无线）的不断提高，要求集成电路的性能也迅速地提高。众所周知，大众使用的存储器的容量已经从KB（千字节）→MB（百万字节）→GB（千兆字节）→TB（千吉字节）了，处理器的运算速度也达到了Gb/s标准，而网速还在Mb/s量级，可见在存储、运算和数据交换三个环节中，最容易提高性能的是存储，其次是运算，最难的是数据交换。在这个信息时代，我们期待现实生活中这三个环节的“3G”时代的到来，并向着“3T”的梦想迈进，这就是集成电路发展的动力。

2.发展方向

为满足日益增大的信息处理能力的需求，主要从实现图形最小尺寸的工艺精度和提高单位面积晶体管数目的集成度两个方面来努力，还要综合考虑满足电路功能以及工作频率和功耗的性能指标。

（1）深亚微米和亚0.1微米（纳米）技术

CMOS技术的自身的巨大发展潜力是IC高速持续发展的基础。集成电路制造水平发展到深亚微米工艺阶段，CMOS的低功耗、高速度和高集成度得到了充分的体现。

CMOS是一种平面工艺器件，随着工艺的进步，首先可以采用等比例缩小（Scaling Rule）版图的特征尺寸来缩小芯片的面积。目前，有两种常用方法，即全比例缩小（恒定电场（Constant Electric field，CE）法）和电压不变按比例缩小（恒定电压（ConstantVoltage，CV）法）。CE法是将器件所有尺寸（横向、纵向尺寸和所有电压源）均按照一个比例因子S缩小；CV法是一种保持电压不变的缩小器件尺寸的方法。CE法提高了芯片的速度和集成度，降低了功耗并实现了更密集的封装，但是半导体器件物理机理和工艺限制了这样简单的等比例的深度缩小。CV可以减小面积和门延迟，提高了速度和集成度，虽然较为实用，但会因功耗提高引起氧化层断裂。芯片实际上因受外围引脚压焊快的限制，而并非一定要缩小到极限的程度。

深亚微米和纳米器件存在一些要注意避免的问题：

[1] 寄生电容和寄生电阻，寄生效应带来的延迟（门延迟和互连线延迟）是影响芯片性能的主要因素之一；

[2] 特征尺寸和信号量的变小，外界的干扰会产生噪声的影响，相邻互连线之间互容和互感引起的串扰也属于噪声的一种引入形式，对噪声容限（低电平噪声容限VNML和高电平噪声容限VNMH）的影响降低了芯片的抗干扰能力；

[3] 功耗带来的散热的问题也不可以忽视，在低频下，若一个CMOS门在不工作时和工作时的功耗分别是0.003mW和0.8mW，那么100万个晶体管的芯片功耗产生的热量约1 W，因此对更大规模的芯片需要精确计算晶体管以及片内外接收器和发送器的功耗，还需要统计处于工作状态门的平均百分比，从而设计相应的散热系统。

所以，深亚微米器件的研究领域主要集中在等比例缩小的器件和工艺研究、寄生效应、噪声和串扰以及功耗与散热这些方面。

（2）系统的芯片集成（SOC）

进入20世纪90年代以来，“集成系统”（Integrated System，IS）的概念被提出来了。随着IC的规模越来越大，连线也越来越复杂。外围器件通过PCB级联成为提高系统速度的瓶颈，这种多器件技术必然向着单芯片系统（System On A Chip，SOAC）过渡。系统集成在一个芯片上，现在称为片上系统（System On Chip，SOC），SOC有利于提高可靠性，同时，信息处理速度也变得越来越快。

SOC 对于器件的设计要求非常高，除了工艺及器件的要求之外，由系统性能到芯片版图的自顶向下的系统芯片设计技术和设计工具的开发、各级的分析和集合、高速和集中模拟、IP复用和协同设计的技术、设计工具的要求也比以前更高了。

SOC一般采用深亚微米和纳米工艺实现，并涉及IP的复用及软硬件协调设计，常常在芯片上嵌入处理器单元和FPGA单元，所以现在的SOC也有更多的SOPC（System On Programmable Chip）的产品。

IP核包含软核（Soft Core）、固核（Custom Core）和硬核（Hard Core），在前端和后端的不同设计阶段使用不同的核。IP的复用（或重用）技术是SOC的一种主要设计技术，包括IP的设计、基于IP的系统设计、多IP系统的验证、测试和接口等综合技术，可重构（Reconfigurability）技术在未来的SOPC领域将会有重要的运用。

纳米级的电路设计要与工艺相结合，运用了时序综合、时延驱动逻辑设计、低压低功耗等可靠性和可测性设计技术。

软硬件协同设计及验证是SOC的重要内容，包括硬件结构设计、基于硬件的软件结构设计生成、软硬件的验证。

SOC必须基于一定的设计平台来进行，解决从概念到系统的设计自动化方法以及寻找在单芯片上实现一个系统的理论方法，但是SOC的设计自动化方法还没有形成理论体系，实际工具并不完善，为此，我们更应该了解电子电路CAD理论的发展，了解各种主要的设计工具，今后SOC的设计主要依赖EDA工具来完成，这也是必须掌握的基本知识内容。

1.1.3 近年的微电子技术

根据美国的21世纪初15年半导体技术发展规划，2000年，最小线宽为0.18μm，DRAM达到1 GB，MPU和ASIC集成度分别达到13M和7M个晶体管/2cm，衬底最大尺寸为300mm，芯片时钟频率达300～600MHz。到2010年，最小线宽为0.07μm，DRAM达到64 GB，MPU和ASIC集成度分别达到90M和40M个晶体管/2cm，衬底最大尺寸400mm。由异质结技术所引发的GeSi-Si技术，在高频、高速性能和低成本统一的设想下又开辟出新的领域。随着尺寸突破0.1μm这个10年前人们认为的物理极限后，现在专家们预测在2010—2030年可以实现纳米电子学中单原子存储技术。

和纳米电子学同时伴生的、以硅材料为基础的微电子机械系统（MEMS）被人们认为是21世纪的革命性的新技术，对21世纪的科学技术、生产方式和人类生活质量都会有深远的影响，这是以Si 材料为主的第一代半导体材料的新生命的开始。大家可以想象的如神话传说中孙悟空变成小虫子钻进铁扇公主的肚里一样，精确制导的生物导弹可以摧毁侵入人体的病毒和变异机体；更有如蚂蚁大小、以微型太阳能电池作为动力的“机器蚂蚁”；利用纳米技术研制的小于6英寸的微型飞机也将会出现。

第二代半导体材料化合物半导体将在微波/毫米波和超高速领域表现出强大的生命力。美国继硅VHSIC计划之后，实施了以化合物为基础的MIMIC计划，把工作频率提高到100GHz，线宽达到0.1μm，并带动了异质结技术的发展。SiC由于尺寸、可靠性和寿命周期的有势将在固态放大器和电子管发射系统中占据主导地位。GaAs的高速性能将在超高速模/数（A/D）、数/模（D/A）转换中发挥重要作用。

第三代半导体材料、宽禁带半导体技术在过去的几十年的艰苦研究中没有取得大的突破，在20世纪90年代以后，由于SiC单晶体的突破和异质结技术的发展，GeSi器件在世界范围的掀起研究高潮。第三代半导体材料的发展目标是：1000V、1000A/2cm 大功率开关，18～40GHz、50 W发射机，1000小时以上的蓝光LED，蓝光、紫光激光器，紫外光探测器。第三代半导体材料为微电子学和光电子学开辟了新的天地。

半导体的封装、组装技术也将随单片集成电路的超大规模系统集成而出现新技术的应用，多芯片模块（Multi-Chip Module，MCM）会得到更好的发展。现有的许多成熟的集成电路或系统将被当做成型的积木块，在单芯片上组合成更复杂的SOC集成电路系统。

随着生物工程技术的发展，基因工程、细胞计算机也在研制中。但是微电子技术不会因此消亡，在生物时代到来以后，两者将结合成为更新的生物电子技术（或称为电子生物学更为恰当）。在生物电子时代，微电子技术仍将在大量的数字处理方面成为主要的技术支撑，特别是大量逻辑运算的工作，编码知识的存储还是微电子技术研究领域，意会知识和模糊运算、判别将由微电子和生物技术结合的技术产物来完成。当然，这一切将是21世纪中后期的技术。

我们可以这样认为，信息技术（IT）、集成系统（IS）、集成电路（IC）构成的信息时代就是“It is IC！”，集成电路其实是技术和产品竞争力的核心，信息技术、集成系统就是集成电路。