集成电路发展历程及未来展望

来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-11-20

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一、 历史追溯——开启电子世界的大门

  集成电路对一般人来说也许会有陌生感,但其实我们和它打交道的机会很多。计算机、电视机、手机、网站、取款机等等,数不胜数。除此之外在航空航天、星际飞行、医疗卫生、交通运输、武器装备等许多领域,几乎都离不开集成电路的应用,当今世界,说它无孔不入并不过分。 在当今这信息化的社会中,集成电路已成为各行各业实现信息化、 智能化的基础。无论是在军事还是民用上,它已起着不可替代的作用。所谓集成电路(IC),就是在一块极小的硅单晶片上,利用半导体工艺制作上许多晶体二极管、三极管及电阻、电容等元件,并连接成完成特定电子技术功能的电子电路。从外观上看,它已成为一个不可分割的完整器件,集成电路在体积、重量、耗电、寿命、可靠性及电性能方面远远优于晶体管元件组成的电路,目前为止已广泛应用于电子设备、仪器仪表及电视机、录像机等电子设备中。

  集成电路的发展经历了一个漫长的过程,以下以时间顺序,简述它的发展过程:

  1906年,第一个电子管诞生;

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  1912年前后,电子管的制作日趋成熟引发了无线电技术的发展;

  1918年前后,逐步发现了半导体材料;

  1920年,发现半导体材料所具有的光敏特性;

  1932年前后,运用量子学说建立了能带理论研究半导体现象(这也为经典工艺所能达到的集成尺寸极限下了定论——7NM);

  1946年,威廉.肖克利(硅谷创始人,杰出的电子工艺学家,物理学家)的研发小组成功研发半导体晶体管,使得IC大规模地发挥热力奠定了基础;

  1956年,硅台面晶体管问世;

  1960年12月,世界上第一块硅集成电路制造成功;

  1966年,美国贝尔实验室使用比较完善的硅外延平面工艺制造成第一块公认的大规模集成电路;

  1988年,16M DRAM问世,1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管,标志着进入超大规模集成电路阶段的更高阶段;

  1997年,300MHz奔腾Ⅱ问世,采用0.25μm工艺,奔腾系列芯片的推出让计算机的发展如虎添翼,发展速度让人惊叹;

  2009年,intel酷睿i系列全新推出,创纪录采用了领先的32纳米工艺,并且下一代22纳米工艺正在研发。集成电路制作工艺的日益成熟和各集成电路厂商的不断竞争,使集成电路发挥了它更大的功能,更好的服务于社会。由此集成电路从产生到成熟大致经历了如下过程:

  电子管——晶体管——集成电路——超大规模集成电路

 

二、 现状概述——以IC、开发板为代表的硬件

  几根零乱的电线将五个电子元件连接在一起,就形成了历史上第一个集成电路。虽然看起来并不美观,但事实证明,其工作效能要比使用离散的部件要高得多。历史上第一个集成电路出自杰克-基尔比之手,当时,晶体管的发明弥补了电子管的不足,但工程师们很快又遇到了新的麻烦。为了制作和使用电子电路,工程师不得不亲自手工组装和连接各种分立元件,如晶体管、二极管、电容器等。

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图为晶体管之父:威廉.肖克利

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  在上个世纪八十年代初期,消费类电子产品(立体声收音机、彩色电视机和盒式录相机)是半导体需求的主要推动力。从八十年代末开始,个人计算机成为半导体需求强大的推动力。至今,PC仍然推动着半导体产品的需求。

  从九十年代至今,通信与计算机一起占领了世界半导体需求的2/3。其中,通信的增长最快。信息技术正在改变我们的生活,影响着我们的工作。信息技术在提高企业竞争力的同时,已成为世界经济增长的新动力。

  事实上,早在上世纪50年代,工程师们早就就萌生了集成电路的想法,其中,仙童、德州仪器以及摩托罗拉、ARM公司即是其中的典型代表,如上文所述,起初的开发板并不美观,更不如现今的开发板性能优良——面包板和覆铜板便是所有开发板的原型鼻祖。

  如今,半个世纪过去了,当年的BIT在如今的TB面前已经显得微不足道,从最初的上百微米级,到如今的十余纳米级,IC的性能简直犹如指数爆炸般扶摇直上,电子设备的性能更是以知名的“摩尔定律”描述的奇迹速度飞速提升,甚至2017年INTEL公司声称将实现的7纳米工艺——经典工艺于平面集成的技术极限,我们将在实现这种工艺的那一天,将传统意义上的IC性能发挥到极限。

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图为今天的开发板与IC板中的佼佼者——ARM,不但精准,而且功能全面,集成度高,稳定性好,

设计上可谓巧夺天工,性价比高,开发者使用要方便且称心如意得多。

 

三、 未来展望——硬件何处去

  上世纪30年代,就普朗克为首的物理学家揭示了微观世界与经典力学的差异,而量子效应的发现则更是给经典工艺对于微观世界的干预难上加难,实际上,纳米级别的事物受到的量子波动影响要远高于宏观物体,而理论推导表明,一旦元件的特征尺寸小于7纳米,这种影响将不可再忽略不计,这也就意味着,经典工艺对于平面集成的极限也只是7纳米,而摩尔定律并不是真正的自然规律,它是在描述人文世界产业状况的函数模型,随着INTEL实现7纳米工艺,摩尔时代将迎来它的黄昏——后摩尔时代,那时的我们,将利用3D技术和折叠工艺来实现立体集成,甚至很可能在并不久远且可预见的未来,摩尔时代即将迎来它的终结——同时,第五代计算机,即电子计算机,也将完结它的传奇——硅时代也许将画上句号。

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  当然,这不意味着IT也已经发展到了极限,不,这只是个开始,当第五代计算机使命完结之日,也将是第六代计算机重装上阵之时,其中,仿生计算机、光子计算机、量子计算机将是未来IT业的主角。其中,仿生计算机(即生物计算机)的研发进程目前走的最远,生物计算机也称仿生计算机,主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子,并以此作为生物芯片来替代半导体硅片,利用有机化合物存储数据,通过控制DNA分子间的生化反应来完成运算。运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质相互作用的过程。其转换开关由酶来充当,而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中明显表示出来。

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       信息以波的形式传播,当波沿着蛋白质分子链传播时,会引起蛋白质分子链中单键、双键结构顺序的变化。运算速度要比当今最新一代计算机快10万倍,它具有很强的抗电磁干扰能力,并能彻底消除电路间的干扰。能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一,  

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  且具有巨大的存储能力。生物计算机具有生物体的一些特点,如能发挥生物本身的调节机能,自动修复芯片上发生的故障,还能模仿人脑的机制等。它有以下优势:

1) 集成度、功效更高

  生物计算机的电路以分子为单位,在一平方毫米的面积上,可容纳几亿个电路,相比于传统计算机的半导体硅片制成的芯片,生物芯片能容纳电路的电路数量级提高了不只一个层次。(说的通俗些,一台高配置的微型电子计算机的ROM才2T而已,而0.2g的 DNA就能储备超过700T的信息。)

  2)可靠性高,寿命更长

  具有生物性质的生物计算机能做到自我修复,并且可以编码设置其自我再生和复制的功能,因此有传统计算机所没有的高可靠性和超长使用寿命。(遭遇损坏如若不超过活性限度可以自行修复,甚至衍生出新的电路,自发在一定程度上提升硬件性能!)

  3)耗能少

  生物计算机的元件是由有机分子组成的生物化学元件,只需很少的能量就能就行所需的化学反应,耗能比传统的消耗电能并不断产生热能的计算机大大减少,并且能量利用率大幅度提高。(等规模的生物PC与电子PC的能耗功率比相当于节能灯之于聚光灯)

  4)方便适用

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  生物计算机由于体积下且具有生物特性,可以置于很多传统计算机无法置放的地方生物计算机具有生物活性,能够和人体的组织有机地结合起来,尤其是能够与大脑和神经系统相连。这样,植入人体的生物计算机就可直接接受大脑的综合指挥,成为人脑的辅助装置或扩充部分,并能由人体细胞吸收营养补充能量,成为帮助人类学习、思考、创造和发明的最理想的伙伴。,可以随意设置在我们身边的任何事物中,并且可以发挥其生物特性更方便地为生命体服务。(可以想象,手掌大小的生物PC的性能比如今高配的电子PC还要强上百倍,而耐用性、便携性却好得多得多)

5) 性能大幅度提升

  生物计算机由于其蛋白质分子可以并行工作的原理,可以轻松实现大量的并行运算,并且速度提高了10万倍以上,同时DNA作为储存信息的媒介,其占用空间也大幅缩小,仅占传统计算机的百亿亿分之一。(2007年,独眼巨人研究中心将一台生物PC运行了整整24小时,其间其完成的运算量相当于人类诞生以来全部计算量的总和,不幸的是,提取出其中的一条指定信息却花费了近一个星期,这也是目前生物计算机的技术难题——运算速度绰绰有余,而提取速度较之不足。)

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四、 生物计算机的发展现状

  生物计算机的概念最早出现在1983年的美国。自那以后,研制生物计算机的热潮就在各个发达国家被掀起。

  首先,生物学家通过对生命体组织细胞的研究,将仿生学应用到计算机这一领域,从而产生了用生物化学分子制造计算机的想法。生物计算机的研究方向目前大致有两类:一类是研制分子计算机,即制造有机分子元件去代替目前的半导体逻辑元件和存储元件;另一方面是深入研究人脑的结构、思维规律,再构想生物计算机的结构。生物计算机所研究的内容有很多,目前大致有如下一些研究内容:生物分子或超分子芯片;与生物现象类比的自动机模式;以生物智能为基础的仿生算法、立足于可控生化反应的生物化学算法、DNA计算机、采用各种生物化学技术实现的细胞计算机等等。其中,生物计算机研究领域中很关键的一环是寻找关键DNA,由于DNA是控制生命的最终核心,并且有着能储存巨大信息的特点,因此寻找或人工制造符合计算机需求的DNA是此领域的一个关键。

  目前,生物计算机的最新研究成果是美国最新研制的可以让科学家对分子进行“编程”,并由活细胞执行“命令”的生物计算机。

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  此外生物计算机目前仍旧处于起步阶段,科学家仍在积极地研制生物芯片。

  虽然生物计算机至今还没有取得革命性的进展,而且有的学者也提出生物计算机在现阶段出现的一系列缺点,例如以遗传物质为基础的生物计算机会受环境的干扰、计算结果难以检测、生物化学反应不是百分之百成功等,此外我们目前还不知道如何能在一个以蛋白质分子为主的生物芯片上运行一个文本编辑器,但这些并不影响生物计算机作为一个有着巨大潜力的领域而存在,因为人类技术的进步是如此令人惊讶,就像在一百年前人们无法想象如今的电子计算机一样,相信随着生物技术的不断进步,这些技术上的问题终究会被解决,终有一天,生物计算机能像如今的电子计算机一样成为神话。

 

五、 挑战雅各布的天梯——光子计算机

  基于光缆和光纤可以更加高效快捷地传输信息,人们自然会联想到为何不用“光”来处理信息——实验室中的事实证明,这是可行的。实际上,在人们意识到光就是电磁波时,想要利用光来表达信息的想法就已经萌芽了,在我们开始详细展开之前,请让我们先来认识光子计算机的概念。

  首先,它是是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。它由激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备构成(相较之下,电子计算机由一大堆的电元件及相应机制组成),靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理,工作特点是以光子代替电子,光运算代替电运算。而相应的优点亦极为诱人:光的并行、高速,天然地决定了光子计算机的并行处理能力很强,具有超高运算速度。

  光子计算机还具有与人脑相似的容错性,系统中某一元件损坏或出错时,并不影响最终的计算结果。光子在光介质中传输所造成的信息畸变和失真极小,光传输、转换时能量消耗和散发热量极低,对环境条件的要求比电子计算机低得多。此外,超大规模的信息存储容量和优良的节能性亦是其不可忽略的优势。与电子计算机相比,光子计算机具有超大规模的信息存储容量。光子计算机具有极为理想的光辐射源——激光器,光子的传导是可以不需要导线的,而且即使在相交的情况下,它们之间也不会产生丝毫的相互影响。光子计算机无导线传递信息的平行通道,其密度实际上是无限的,一枚五分硬币大小的枚镜,它的信息通过能力竟是全世界现有电话电缆通道的许多倍。能量消耗小,散发热量低,是一种节能型产品。光子计算机的驱动,只需要同类规格的电子计算机驱动能量的一小部分,这不仅降低了电能消耗,大大减少了机器散发的热量,而且为光子计算机的微型化和便携化研制,提供了便利的条件。科学家们正试验将传统的电子转换器和光子结合起来,制造一种“杂交”的计算机,这种计算机既能更快地处理信息,又能克服巨型电子计算机运行时内部过热的难题。

  为此,我们正在快速推进进程……

 

六、 回到创世纪——量子计算机

  尽管上述两种计算机的性能是如此的卓越,然而比起量子计算机却仍是小巫见大巫,实际上,得益于量子纠缠、量子阶跃等微粒子独特的性质,量子计算机的能力之强大,是难以描述的。

  作为量子学的创始人之一,理查德.费曼很早就提出了量子计算机的概念,他发现当模拟量子现象时,因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大,一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观,甚至是不切实际的天文数字。理查德•费曼当时就想到,如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象,则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念从此诞生。1982年,理查德•费曼在一个著名的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的想法。紧接着1985年大卫•杜斯提出了量子图灵机模型 。人们研究量子计算机最初很重要的一个出发点是探索通用计算机的计算极限。当使用计算机模拟量子现象时,因为庞大的希尔伯特空间而数据量也变得庞大。一个完好的模拟所需的运算时间则变得相当可观,甚至是不切实际的天文数字。理查德•费曼当时就想到如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少,从而量子计算机的概念诞生。。但这在1980年之前,始终处于纸上谈兵状态——现实中并没有人知道怎么实现它。直到1994年彼得•秀尔提出量子质因子分解算法后,因其对通行于银行及网络等处的RSA加密算法破解而构成威胁后,量子计算机变成了热门的话题。除了理论之外,也有不少学者着力于利用各种量子系统来实现量子计算机。

  实际上用原子实现的量子计算机只有5个q-bit,放在一个试管中而且配备有庞大的外围设备,只能做1+1=2的简单运算,正如Bennett教授所说,“现在的量子计算机只是一个玩具,真正做到有实用价值的也许是5年,10年,甚至是50年以后”,我国量子信息专家中国科技大学的郭光灿教授则宣称,他领导的实验室将在5年之内研制出实用化的量子密码,来服务于社会!科学技术的发展过程充满了偶然和未知,就算是物理学泰斗爱因斯坦也决不会想到,为了批判量子力学而用他的聪明大脑假想出来的EPR态,在六十多年后不仅被证明是存在的,而且还被用来做量子计算机。在量子的状态下不需要任何计算过程,计算时间,量子进行空间跳跃。可以说量子芯片,是终极的芯片!

  遗憾的是迄今为止,世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是,世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算,方案并不少,问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。还很难说哪一种方案更有前景,只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场,最后脱颖而出的是一种全新的设计,而这种新设计又是以某种新材料为基础,就像半导体材料对于电子计算机一样。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新,这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子计算机的作用和意义远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。

 

七、 中国的硬件及IC发展

  2004年,亚太地区已成为世界最大的半导体市场,其主要的推动力是中国国内需求的增长和中国作为世界生产基地所带来的快速增长。电子终端产品的生产将不断从日本和亚洲其他地区转移到中国。

  中国的集成电路产业起步于20世纪60年代中期,1976年,中国科学院计算机研究所研制成功1000万次大型电子计算机所使用的电路为中国科学院109厂研制的ECL型电路;1986年,电子部提出“七五”期间,我国集成电路技术“531”发展战略,即推进5微米技术,开发3微米技术,进行1微米技术科技攻关;1995年,电子部提出“九五”集成电路发展战略:以市场为导向,以CAD为突破口,产学研用相结合以我为主,开展国际合作,强化投资;在2003年,中国半导体占世界半导体销售额的9%,电子市场达到860亿美元,中国成为世界第二大半导体市场,中国中高技术产品的需求将成为国民经济新的增长动力。到现在已经初具规模,形成了产品设计、芯片制造、电路封装共同发展的态势。

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  但是,值得特别注意的是:由于上世纪50年代后我国的外交窘境,基础薄弱,人才缺乏,外加雪上加霜的自然及社会问题,使得中国以IC为代表的电子硬件技术行业一度停滞不前,甚至有一种持续至今仍颇具影响的偏激理念认为:对于电子设备而言,软件的进步要远重要于硬件的进步,而硬件上的不足,可以靠软件的不断进步来几乎完全地抵消弥补。

  这也导致了当今中国电子科技行业的软肋:软件水平与硬件水平的极端不协调,与硬件水平的巨大短板(直到14年,我国才真正独立开发出本土的CPU——龙芯)。这也是当今高校中,IT方面教材中,软件开发所占比例远远大于硬件开发的原因。

  直至21世纪初,当电脑、手机这类第三次技术革命的产物终于得以走进千家万户,而我国的电子行业却依旧羸弱无力时,这种幼稚理念终于被推倒,市场规律使得中国电子行业为他们在近40年来对于技术进步的错误认知付出了高昂的代价,却也给了那些固步自封者一个极大的教训——实际上,由于意识形态及封建余毒的原因,对此了解甚少的人们在此前一直将电子行业视作“旁门左道”,而较之硬件开发,等程度上软件开发所需的成本低于硬件开发,因此可想而知,当时的国人对于硬件开发并不热忱。

  于是,在21世纪的头10年,我国本土的电子行业只能眼睁睁地看着外国同行在本土的巨大市场赚得满盆金箔,而自己,除了眼红,也只能默默发展实力,穷追猛赶并静待时机了。而值得庆幸的是,我们已经意识到了过往观念中的错误,国家已将推动芯片国产化上升至国家安全的高度,今年信息安全政策的重点将落实在硬件领域,特别是对集成电路产业的扶持力度堪称近十年之最。与此同时,随着集成电路发展纲要及地方扶持政策的相继落地,集成电路产业将获得前所未有的发展机遇。

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  作为未来30年发展最重要的工业物资,半导体与集成电路产业发展正在受到前所未有的重视。其中,资本在促进集成电路产业发展中的重要性和必要性已获认可,通过政府财政引导加股权投资基金协同运作的方式被认为是有效手段。继2013年12月,北京宣布成立总规模300亿元的股权投资基金打造集成电路产业后,武汉、上海、深圳等地也正在制订自己的扶持政策,其中集成电路设计及封测领域最受关注。此外,包括合肥、天津、沈阳等地区也正在筹划促进芯片国产化的产业扶持基金。

  继2013年12月,北京宣布成立总规模300亿元的股权投资基金打造集成电路产业后,武汉、上海、深圳等地也正在制订自己的扶持政策,其中集成电路设计及封测领域最受关注。此外,包括合肥、天津、沈阳等地区也正在筹划促进芯片国产化的产业扶持基金。

  但国内集成电路产业规模与市场规模之比始终未超过20%。如扣除集成电路产业中接受境外委托代工的销售额,则中国集成电路市场的实际国内自给率还不足10%,国内市场所需的集成电路严重依靠进口的局面并未发生实质性改变。

 

八、 结语

  路漫漫兮,而求索。前途光明,然而路途艰辛,长路漫漫,我们仍然任重道远。

  我们相信,随着我国经济的发展和对集成电路的重视程度的提高,我国以集成电路为代表之一的电子技术行业也会有更大的发展!

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