皇冠博彩维基百科(www.hg108.vip):带你一文读懂芯片:复旦微电子学院副院长闫娜演讲实录

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·集成电路数字产品目前面临两种机遇,一是技术驱动,二是需求驱动。所谓技术驱动,就是从计算架构来引领创新,包括三维集成、量子计算等;需求驱动是指现有的物联网、自动驾驶、人工智能的发展对于集成电路数字产品产生了非常大的需求,不同需求会驱动产生不同形态的新的集成电路数字产品,推动集成电路产业发展。

复旦大学微电子学院副院长闫娜教授科普集成电路技术的发展历史、现状,以及未来趋势。

从1904年英国电气工程师发明人类历史上第一只电子管,到1946年美国贝尔实验室发明锗晶体管,再到1971年英特尔发明了世界上第一块集成了2000多个晶体管的大规模集成电路,如今一颗苹果M1 Max芯片基于台积电5纳米工艺集成了570亿个晶体管,集成电路技术是人类智慧结晶最典型的代表。

在复旦大学管理学院与复旦大学微电子学院日前联合主办的“瞰见对话科创人物系列论坛”上,复旦大学微电子学院副院长、教授、博士生导师闫娜科普了集成电路技术的发展历史、现状,以及未来趋势。

闫娜表示,过去20年,在由政府主导的大规模投入下,集成电路产业已形成由设计、工艺、封测、设备、材料等众多环节组成的较为完整的产业链。未来中国仍需继续加大集成电路产业的研发投入和人才培养力度,实现核心技术突破,推动集成电路实现跨越式发展。

以下由澎湃科技根据闫娜的上述演讲实录整理,带你一文读懂芯片的过去、现在、未来。

从电子管、晶体管到超大规模集成电路

所谓芯片,便是以集成电路为核心的电子技术,它是伴随着电子元器件小型化、微型化的发展而兴起。

1904年,英国电气工程师弗莱明·约翰·安布罗斯发明了人类历史上第一只电子管,即真空二极管。两年后,美国人德夫勒斯特又发明了第一个能够放大电信号的电子器件,也就是真空三极管。

电子管尤其是真空三极管的发明和应用拉开了现代电子学的序幕,在电子技术史上具有划时代的意义,这一发明堪称过去100年来改变世界的重大发明之一,为我们开启了电子时代的大门。

接下来就是晶体管的发明,1946年,美国贝尔实验室开始研究半导体。由肖克利、巴丁跟布拉顿组成的研究小组研制出了一个点接触型的锗晶体管,也可以理解为转换电阻,并因此共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖,为集成电路的发展奠定了坚实基础。

基于锗晶体管的发明,美国德州仪器公司青年工程师杰克·基尔比于1958年成功发明了全世界第一块锗集成电路,他也因为这一发明获得了2000年诺贝尔物理学奖。

此后50年多来,集成电路的集成度飞速发展。

以CPU芯片为例,1971年,英特尔发明了世界上第一块大规模集成电路,集成了2000多个晶体管,型号是4004CPU;30年后,英特尔在2002年发明的奔腾4处理器采用0.13微米的工艺,集成了5500万个晶体管;2012年,英特尔发布了集成14亿个晶体管的处理器CPU,采用22纳米工艺;2022年,苹果发布的M1 Utra芯片集成了1140亿个晶体管,这颗芯片由两颗芯片采用一定封装形式拼接而成。同时,英特尔也宣布,它的超级计算机芯片将拥有超过1000亿个晶体管。

人类最聪明的大脑就是一个先进的存储器,但除了大脑,我们还需要额外的存储介质。早期是印刷术,之后是光盘、磁盘,再到U盘、硬盘。早期32兆、64兆的U盘已经非常先进,现在可以看到32G、64G甚至更大的U盘存储器以及固态硬盘。

存储器芯片方面,1967年,知名半导体专家施敏博士在贝尔实验室发明了浮栅晶体管,这个浮栅晶体管逐步成为了闪存芯片的主流器件,并且创造了今天数百亿美元的闪存芯片市场。可以说,存储器芯片是份额最大的集成电路产品。基于闪存芯片30T容量的便携式硬盘,可以储存1000多万册书籍,相当于用一个硬盘可以随身携带一个大型图书馆。

总的来说,集成电路朝着速度更快、功耗更低发展,追求更高效地处理数据,存储量也更大。

衡量集成电路工艺水平的四大指标

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实际上,集成电路的工作速度主要取决于晶体管的特征尺寸。晶体管的特征尺寸越小,该工艺所能够接受的极限工作频率越高,开关速度也越快,相同面积的晶片所能容纳的晶体管数目也就越多。也就是说,集成度越高,功能越强大。

摩尔定律是大家耳熟能详的一个定律,于1965年,集成电路刚刚发展了6年后,由戈登·摩尔提出。戈登·摩尔对当时各个公司芯片产品大量调研后,大胆提出了一个预测:集成电路上可容纳晶体管数目大约18-24个月就会增加一倍,性能也将提升一倍。虽然现在发展时间有所增加,有可能需要30个月甚至更长,但集成电路的发展趋势目前大体仍然按照摩尔定律在进行。

描述集成电路工艺水平,有四个指标:

第一是特征尺寸,也就是人们经常说的集成电路工艺可以到28纳米、14纳米、7纳米、5纳米等。器件的特征尺寸从早期的微米级发展到现在的纳米级。一颗苹果M1 Max芯片,基于台积电5纳米工艺集成了570亿个晶体管。头发丝的横截面积大概8000平方微米,假设采用10纳米工艺,在这样一根头发丝的截面上可以制作出50万个晶体管,可见晶体管的尺寸有多小。

第二个是晶圆直径,也就是硅片尺寸。早期的硅片尺寸有4英寸、6英寸,现在是8英寸,主流的先进工艺则是12英寸。晶圆尺寸越来越大,每一个晶圆上能够制造的集成电路芯片数量也越多,芯片成本就会大大降低。

第三个指标是DRAM(动态随机存取内存)的容量,可以用每一个工艺DRAM的尺寸,它的栅间距、金属间距等来评估工艺发展水平。

第四个指标是晶体管密度,英特尔曾建议以逻辑晶体管的密度作为指标,同时加入扫描触发器、SRAM(静态随机存取存储器)单元规模等来评估集成电路的工艺发展水平,而不再单单以特征尺寸来评估,这就是晶体管密度的指标。

当摩尔定律发展到特征尺寸不能再缩小时,怎样提高集成电路的功能、性能、集成度?除了减少特征尺寸、增大硅晶圆面积之外,还有一个方式是采用先进的封装形式,比如2.5D封装、3D封装等。台积电的CoWoS封装技术,以及Chiplet等技术,都是封装技术上的突破。

集成电路产品种类及发展机遇

集成电路产品一般分为两类,一种是模拟产品,一种是数字产品。

模拟产品可以划分为光电器件、模拟器件、功率器件以及传感器件等。其特点是非尺寸依赖,不依赖于先进工艺,不需要3纳米、5纳米的工艺制造,往往使用一些较大的特征尺寸工艺就可以实现。模拟产品更多是工艺、器件、电路设计的反复迭代,电路对器件提出要求,器件又对工艺提出要求。

目前国内功率产业中,功率二极管是比较有竞争力的,硅基的MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)处于追赶阶段,IGBT(绝缘栅双极型晶体管)则在高铁上实现了较好应用;第三代半导体正处于积极布局、快速发展的阶段。

总的来说,我们应该积极打破模拟芯片产品设计/系统、器件/架构、工艺/整合的领域界限,以全产业链整合的IDM(集芯片设计、制造、封测等多个环节于一体)形式积极发展半导体产业。目前全球领先的模拟芯片产品企业英飞凌、德州仪器都以IDM形式存在。

根据应用途径的不同,集成电路数字产品可分为三大类:处理器芯片、逻辑芯片和存储器芯片。其中处理器芯片又可以根据不同应用分为桌面存储、移动应用、图形处理、智能处理、微控制器等;逻辑芯片可以分为FPGA、基带处理芯片、网络芯片、密码安全芯片等;存储器芯片根据不同的存储器单元可以分为DRAM和Flash新型存储器。

每一种数字产品有自己的技术发展趋势。对于处理器芯片产品技术,随着摩尔定律逐渐放缓,特征尺寸的微缩接近极限,基于当前冯·诺依曼的处理器单核性能增长缓慢,新型计算架构、敏捷开发、异构计算、三维集成、光互联技术是主要研究方向。从2023年到2035年,单核性能提升非常有限,需要突破冯·诺依曼结构,最终才能实现技术和指标的突破。

从逻辑芯片产品的技术发展趋势来看,预计2020年到2035年,FPGA所使用的芯片工艺特征尺寸可以从28纳米下降到小于5纳米,逻辑单元的数量也会逐年增加,存储接口、存储速度、接口速度有望从20Gbps提升到100Tbps。智能终端的SoC除了CPU核逐渐增加以外,存储带宽将逐步增加。从5G到6G应用,基带芯片时延将越来越小,峰值数据率也越来越高。

对于存储器芯片,到2025年有望追平国际先进闪存芯片水平,DRAM的差距也将缩小到一代以内。

综上,集成电路数字产品目前面临两种机遇,一是技术驱动,二是需求驱动。所谓技术驱动,就是从计算架构来引领创新,包括三维集成、量子计算等。需求驱动是指现有的物联网、自动驾驶、人工智能的发展对于集成电路数字产品产生了非常大的需求,不同需求会驱动产生不同形态的新的集成电路数字产品,推动集成电路产业发展。

 

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