1.1 数字集成电路的发展历史与现状

半个多世纪以来，数字集成电路技术的发展成为科学与技术各个方面进步的巨大动力，并且影响到了人类活动的各个方面。电子计算机的发展和广泛应用就是数字集成电路技术应用的一个非常成功和典型的例子，每一次计算机性能的提高都离不开数字集成电路技术进步的推动，而计算机性能的提高和应用的普及反过来又促进了数字集成电路技术的快速发展，因此，数字集成电路的发展历史与计算机的发展历史密切相关。

1.1.1 机械式计算机的启蒙时代

在电子元器件发明之前，人们就开始探索用机器代替人进行计算的可能性。最初出现的计算器就是中国古人发明的算筹和算盘，此后欧洲陆续发明了计算尺和手摇式计算器，实现了超越函数的计算和一些开方运算。法国数学家帕斯卡（Pascal）发明的钟表式齿轮计算机，是机械式计算机的初级阶段，此后莱布尼茨乘法器、巴贝奇微分器也相继问世。图1.1为巴贝奇微分器，它是一个机械计算装置，能执行加、减、乘、除基本运算（十进制），分“存放”和“执行”两个周期序列，共有25000个部件，成本为17470英镑。

1703年，德国数学家莱布尼茨（Leibniz）的论文《谈二进制算术》发表在《皇家科学院论文集》上。19世纪，英国数学家布尔（Boole）运用代数方法研究逻辑学，1844年发表了著名论文《关于分析中的一个普遍方法》。这些数学理论为日后的数字系统设计和电子计算机的发明奠定了坚实的科学基础。

1.1.2 电子技术和半导体技术的诞生和发展

20世纪40~70年代，电子技术和半导体工艺技术的突飞猛进为数字设计的发展提供了新的舞台，数字设计技术得到了快速发展和广泛应用。

1.电子管时代

美国发明家佛斯特（Leede Forest）于1906年发明了电子管，随即用它来放大无线电信号和声音信号。1909年，美国贝尔（Bell）购买了他的专利，经过改进，用于长距离电线电信号的放大。之后以电子管为核心器件陆续发明了许多产品：电子管收音机、电子管录放机、电子管电视机、唱片机、无线电发报机、电子计算机等。

电子管是封装在玻璃外壳内的一种电真空器件，如图1.2所示。用电子管可以设计出实现反相功能的反相器线路，在此基础上，再实现出计算机使用的全部组合逻辑线路，诸如加法器、译码器等线路，和触发器、寄存器、计数器等各种时序逻辑线路。用电子管线路实现的属于电子管计算机。

世界上第一台电子数字计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator），1946年由美国宾夕法尼亚大学研制，字长12位，运算速度5000次/秒，使用18800个电子管、1500个继电器，功耗150kW，占地170m²，重达30吨，造价100万美元，如图1.3所示。

2.晶体管时代

电子管体积大、功耗高、价格贵、易破碎，为了改进这些缺陷，人们开始寻找电子管的替代元件。

1947年，贝尔实验室肖克利领导的半导体研究小组发明了点接触型晶体管，如图1.4所示。

1948年，肖克利发明了面接触型晶体管，这就是今天仍在使用的晶体管结构，如图1.5所示，它是用半导体材料制作的、封装在一个金属壳内的带有3个管脚的小器件。

晶体管体积小、功耗低、性能更加稳定，逐步取代了电子管的地位，从而得到了广泛的应用。用晶体管可以设计出实现反相功能的反相器线路，在此基础上，可实现组合逻辑线路，和触发器、寄存器、计数器等时序逻辑线路，因此利用晶体管作为基本元件可以设计实现电子计算机，这种计算机称为晶体管计算机。

1954年，美国贝尔实验室研制出第一台使用晶体管线路的计算机，取名“催迪克”（TRADIC），装有800个晶体管。1958年，美国IBM公司制成第一台全部使用晶体管的计算机RCA501型。1964年，中国制成了第一台全晶体管电子计算机441-B型。

晶体管计算机性能和可靠性提高，体积和价格下降，外设和软件也越来越多，并且高级程序设计语言应运而生，从而使计算机工业迅速发展。

尽管用晶体管替代电子管使计算机面貌焕然一新，但随着对计算机性能的追求，新计算机包含的晶体管数量已从一万个左右骤增到数十万个，人们需要将这些晶体管、电阻等元件都焊接到一块电路板上，再由一块块电路板通过导线连接到一台计算机上。其复杂工艺严重影响了制造计算机的生产效率，使计算机可靠性很低。

3.集成电路时代

电子管的很多缺点延续到分立晶体管身上，复杂的连线导致电路系统设计复杂，而且体积、功耗比较大，电子产品的电路成本和使用成本都比较高。克服晶体管的这些缺陷成为半导体工艺工程师后来追逐的主要目标，从而导致了集成电路的发明。

集成电路（integrated circuit，IC）是指以半导体晶体材料为基片，经加工制造，将元件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上，再用一个管壳将其封装起来，形成具有某种电子功能的微型化电路。如图1.6、图1.7、图1.8所示。有时也把集成电路称为芯片。

1958年，美国德州仪器（Texas Instruments）的工程师基尔比制造出第一块IC，集成了1个晶体管、1个电容、1个电阻，如图1.9所示。1959年，仙童（Fairchild）半导体科学家诺伊斯发明了可制造性更强的IC设计技术，从而开启了集成电路快速发展的时代，集成电路的集成度和性能按照摩尔定律迅速提高，即单片集成电路上可容纳的晶体管数目，大约每隔18个月便会增加一倍，性能将提升一倍。

按照集成度划分，集成电路的发展经历了中小规模集成电路时代、大规模和超大规模集成电路时代、甚大规模和极大规模集成电路时代等。

中小规模集成电路时代（1964～1975）：此时集成到一个芯片内的晶体管数量还相当有限，实现的还只限于简单的、完成基本处理功能的组合逻辑门一级的电路和简单的触发器、寄存器之类的电路，故被称为中、小规模集成电路（MSI、SSI）。

大规模和超大规模集成电路时代（1975～1990）：半导体器件生产工艺的改进，使得在一片半导体基片上，可以生产出数量更多的晶体管，就形成了大规模集成电路（large scale integration，LSI）和超大规模集成电路（very large scale integration，VLSI）。

甚大规模和极大规模集成电路时代（1990至今）：单个芯片内的晶体管数量达到百万个时被叫做甚大规模电路（ultra large scale integration，ULSI），达到一亿个时被叫做极大规模电路（extremely large scale integration，ELSI）。

摩尔定律并不是什么科学定律，它的意义在于预言了半导体技术的发展前景，最重要的是它还指出了半导体技术的巨大市场价值和广阔的商业机会。在它的影响下，全世界为半导体技术投入了巨大的资金、人力、物力，半导体技术吸引了最杰出的人才，成为人类史上最辉煌的、发展最快的科学技术领域。一直到今天，摩尔定律依然以“更快、更小、更便宜”的核心思想指导着芯片设计行业的发展。

今天，在单片集成电路上可以集成多达十亿只晶体管，我们拥有非常丰富的设计资源，可以在这样的平台上进行自由的、复杂的、高速的数字系统设计。可以毫不夸张地说，只要能用数学算法和软件算法描述清楚，就能开发出相应功能的数字IC产品。数字IC产品也越来越多样化，近年来甚至出现了数字IC大规模替代模拟IC的趋势，越来越多的模拟IC开始采用混合设计的方式，嵌入数字设计模块，用于降低功耗，提高信号处理和存储能力。