复旦大学微电子学院闫娜传授：芯片毕竟是什么

复旦大学微电子学院副院长闫娜传授日前在复旦大学办理学院与复旦大学微电子学院团结主理的“瞰见对话科创人物系列论坛”上，先容了集成电路武艺的提高汗青、现状以及将来趋向。以下是演讲主要内容。

『从电子管、晶体管到超大范围集成电路』

所谓芯片，就是以集成电路为中心的电子武艺，它是伴随着电子元器件小型化、微型化的提高而崛起的。

1904年，英国电气工程师弗莱明·约翰·安布罗斯创造了人类汗青上第一只电子管，即真空二极管。两年后，美国人德夫勒斯特又创造了第一个可以扩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创造和使用，拉开了古代电子学的序曲，在电子武艺史上具有划年代的意义。这一创形成为已往100年来改动天下的严重创造之一，为我们开启了电子年代的大门。

1946年，美国贝尔实行室开头研讨半导体。由肖克利、巴丁和布拉顿构成的研讨小组研制出了一个点交往型的锗晶体管，并因此协同取得了1956年的诺贝尔物理学奖，为集成电路的提高奠基了坚固基本。

基于锗晶体管的创造，美国德州仪器公司青年工程师杰克·基尔比于1958年告捷创造了全天下第一块锗集成电路，他也由于这一创造取得了2000年诺贝尔物理学奖。

今后50多年来，集成电路的集成度飞速提高。以CPU芯片为例，1971年，英特尔创造了天下上第一块大范围集成电路，集成了2000多个晶体管；2002年，英特尔创造的奔腾4处理器接纳0.13微米的工艺，集成了5500万个晶体管；2012年，英特尔公布了集成14亿个晶体管的处理器CPU，接纳22纳米工艺；2022年，苹果公布的M1 Ultra芯片集成了1140亿个晶体管，这颗芯片由两颗芯片接纳一定封装情势拼接而成。同时，英特尔也公布，它的超等盘算机芯片将拥有凌驾1000亿个晶体管。

人类的大脑就是一个优秀的存储器，但除了大脑，我们还必要分外的存储介质。早前是印刷术，之后是磁盘、光盘，再到硬盘、U盘。一开头是32兆、64兆的U盘，如今以前有了32G、64G乃至更大的U盘存储器以及固态硬盘。存储器芯片方面，基于闪存芯片30T容量的便携式硬盘，可以储存1000多万册册本，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，集成电路朝着速率更快、功耗更低提高，寻求更高效地处理数据，存储量也更大。

『权衡集成电路工艺水平的四大目标』

集成电路的事情速率主要取决于晶体管的特性尺寸。晶体管的特性尺寸越小，该工艺所可以承受的极限事情频率越高，开关速率也越快，相反面积的晶片所能包容的晶体管数目也就越多。集成度越高，功效越强壮。

形貌集成电路工艺水平有四个目标：

第一是特性尺寸，也就是人们常常说的集成电路，工艺可以到达28纳米、14纳米、7纳米、5纳米等。头发丝的横截面积约莫为8000平方微米，假定接纳10纳米工艺，在一根头发丝的截面上可以制造出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。早前的硅片尺寸有4英寸、6英寸，如今是8英寸，主流的优秀工艺是12英寸。晶圆尺寸越来越大，每一个晶圆上可以制造的集成电路芯片数目也越多，芯片本钱就会大大低落。

第三个目标是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、金属间距等来评价工艺提高水平。

第四个目标是晶体管密度。

当特性尺寸不克不及再变小时，怎样提高集成电路的功能、集成度？另有一个办法是接纳优秀的封装情势，好比2.5D封装、3D封装等。台积电的CoWoS封装武艺以及Chiplet等武艺，都是封装武艺上的打破。

集成电路产物寻常分为两类，一种是模仿产物，一种是数字产物。

就模仿产物而言，我们应该以全产业链整合的IDM（集芯片计划、制造、封测等多个环节于一体）情势积极提高半导体产业。现在举世抢先的模仿芯片产物企业英飞凌、德州仪器都以IDM情势存在。

集成电路数字产物现在方临两种机会，一是武艺驱动，二是需求驱动。所谓武艺驱动，就是从盘算架构来引领创新，包含三维集成、量子盘算等。需求驱动是指现有的物联网、主动驾驶、人工智能的提高关于集成电路数字产物产生了十分大的需求，不同需求会驱动产生不同外形的新的集成电路数字产物，推进集成电路产业的提高。

栏目主编：龚丹韵 笔墨编纂：徐蓓 题图泉源：上观题图 图片编纂：邵竞

泉源：作者：闫娜