信息化导论 第4讲_微电子技术与摩尔定律.ppt

1、微电子技术与摩尔定律,信息技术的硬件支持,张基温 教授,内容提要,3.1 从电子管到集成电路 3.2 摩尔定律 3.3 未来信息技术器件 3.4 知识集锦,从电子管到集成电路,3.1.1 从电气世界到电子世界 3.1.2 真空管 3.1.3 晶体管 3.1.4 集成电路,从电气世界到电子世界,早在3000多年前，人类已经开始认识“电”。 东汉初期的王充：“顿牟（玳瑁）掇芥” 晋朝人关于摩檫起电 公元前6世纪希腊七贤之一的泰勒斯发现摩檫琥珀吸引小物体，把这种现象称为琥珀 在漫长的岁月中，人们只是从宏观上来研究“电” 。 1600年英国物理学家吉伯的带电实验 1752年富兰克林的放风筝实验 178

2、5年法国科学家库仑关于电测量的实验 1799年意大利科学家伏特的电化实验 1820年丹麦自然哲学家奥斯特的电流效应实验 法国物理学家安培关于载流螺旋管与磁铁等效性实验 1895年俄国波波夫和意大利的马克尼的无线信号传送实验。,从电气世界到电子世界,1897年英国物理学家J.J.汤姆逊确认阴极射线的粒子性，证实了电子的存在，人类对于电的研究才开始进入了微观电子世界。汤姆逊及其试验装置,真空管,1883年，“爱迪生效应”。 1904年，弗莱明与 热离子阀。,真空管,热离子阀催生了世界上第一只电子管真空二极管。 1906年，德福雷斯特在弗莱明的玻璃管内添加了金属网状的“栅极”，形成三极管。,真空管,

3、商品三极真空管及其内部结构 电子管的出现，极大地推动了无线电技术自动控制技术和计算技术的发展。,晶体管,从对于晶体的发现和研究开始 3000年前，人们就想揭开指南针的秘密 1611年，开普勒对雪花呈六角形产生了好奇 1834年法拉第发现硫化银电阻会随温度升高而下降 1874年布劳恩发现金属与硫化物接触面上会出现单向导电现象 1876年亚当斯和代依发现硒表面会发生光生电动势 1929年迈斯纳观测到硫化铜在低温下变得比纯铜导电性好 1883年弗立兹制成一个实用硒整流器 1911年梅里特制成了硅整流器，用于无线检波（铜矿石也可以） 1926年前后，锗被用于整流，同时，光电池成为商品。,晶体管,谜底从

4、1830年开始逐步揭开 1830年布拉菲（A.Bravais）提出假设：一些物质的结构是按照某种规则在空间上周期而无限分布的。这种物质称为晶体。 1926年量子力学诞生。 1931年，威尔逊（AHWilson）建立了固态半导体量子力学模型理论。 晶体管就是上面的现象放到固体物理学中研究的成果。,晶体管,1945年夏，贝尔实验室成立7人的固体物理研究小组。 组长：萧克莱 1947年11月，萧克莱、巴丁、布莱登实验 1947年12月16日布莱登的的第一个点接触晶体管 1947年12月23日制作成语音放大器晶体管诞生日,晶体管,N,N,P,晶体管,1955年，贝尔实验室研制出世界上第一台全晶体管计算

5、机TRADIC。 在晶体管发明中的贡献，使萧克莱、布莱登和巴丁荣获了1956年诺贝尔物理奖。,萧克莱半导体实验室,1945年12月因为参加发明第一个晶体管发明的萧克莱一举名扬天下。1955年，他离开贝尔实验室返回故乡圣克拉拉，创建“萧克莱半导体实验室”。这位“晶体管之父”大旗一树，应者云集，诺依斯（N. Noyce）、摩尔（R.Moore）、布兰克（J.Blank）、克莱尔（E.Kliner）、赫尔尼（J.Hoerni）、拉斯特（J.Last）、罗伯茨（S.Boberts）和格里尼克（V.Grinich）8位英才（见图3.27）都聚到了他的麾下。,“The Traitorous Eight”

6、与Fairchild（直译为“仙童”）,1956年“The Traitorous Eight”（“八叛逆”）离开萧克莱，得到名为Fairchild（直译为“仙童”）摄影器材公司老板谢尔曼费尔柴尔德（S. Fairchild）提供的3600美元的种子基金和150万美元的财力支持，创办了一个企业仙童半导体公司。,“The Traitorous Eight”,1958年1月，仙童得到了IBM公司的一张订单，订购100个硅晶体管 20世纪60年代初是仙童半导体公司发展的黄金时期。但是，从1965年开始，公司销售额开始滑坡。 人们相继离开仙童,仙童培养起来的公司,1967年，赫尔尼、罗伯茨和克莱尔首先负

7、气出走，成立了阿内尔科公司。 接着，一度担任过仙童半导体公司总经理接着查尔斯斯波克（C.Sporck）来到国民半导体公司（NSC ）担任CEO。 格拉斯也带着几个人脱离仙童创办西格奈蒂克斯半导体公司。 1968年，“八叛逆”中的最后两位诺依斯和摩尔，也带着葛罗夫（A. Grove）脱离仙童公司创办了大名鼎鼎的英特尔（Intel）。 1969年，杰里桑德斯（J. Sanders）带着7位仙童员工创办高级微型仪器公司（AMD）。,集成电路,把多个元器件制作在一块半导体晶体上所形成的电路，就称为集成电路（scale integration, SI）。,多个元器件在印刷电路板,集成电路,1958年9月

8、，杰克-S-基尔比（Jack Kilby）成功地在一块不超过4平方毫米的锗片上，集成了20余个元件（晶体管、电阻和电容）。,集成电路,诺依斯使用平面工艺方法，即藉着蒸镀金属、微影、蚀刻等方式，解决了集成电路中不同元件间导线连结的问题。,集成电路,1961年集成电路开始用于计算机（德克萨斯仪器公司与美国空军合作） 几款有代表性的CPU芯片,4004(1971.1),P2(1997.5),Athlon 64 (2003.9),AMD K-6(1997.4),Opteron(2003.4),酷睿2四核(2007.1),30多年间计算机CPU集成度的发展状况（1）,30多年间计算机CPU集成度的发展状

9、况（2）,课堂讨论,1. 分析表3.1可以发现一些什么规律？,摩尔定律,3.2.1 摩尔的预言 3.2.2 摩尔定律的终结,摩尔的预言,微电子业发展最有影响的人物之一戈登摩尔(Gordon Moore)于1965年发现的在集成电路业界灵验了近40多年的规律。,摩尔的预言,芯片上集成的晶体管数量将每18个月翻一番。,3.2.2 微电子技术发展的瓶颈,摩尔定律神奇地灵验了半个世纪，对此连摩尔自己也惊讶不已。因为摩尔定律提出时，集成电路问世才6年，摩尔的实验室也只能将50只晶体管和电阻集成在一个芯片上。如今，一个芯片上已经密植了近十亿个器件。对此。不断有人置疑：这种状况能一直持续下去吗？对此，摩尔本

10、人也无不忧虑。早在1993年，就在Intel公司刚开始大规模采用0.50微米芯片制造工艺之时，摩尔就在一次科技大会上发表了一篇名为指数级增长定律的终结的讲话，预言当芯片制造工艺达到0.25微米级别的时候，摩尔定律将遇到难以克服的技术和成本问题。,1. 材料瓶颈 随着集成电路集成度的提高，芯片中晶体管的尺寸会越来越小，这就对制作集成电路的半导体单晶硅材料的纯度要求也越来越高。哪怕是极其微小的缺陷或杂质，都有可能使集成电路中的某个或数个晶体管遭到破坏，最终导致整个集成电路的失败。同时，集成电路集成度的提高还会引发另一个十分棘手的问题。随着集成块上晶体管器件之间绝缘厚度的减小，当电路的尺寸接近电子波

11、长（大约小到5个原子的厚度）时，由于量子隧道效应电子将会穿过绝缘层，使器件无法正常工作。,2. 光刻瓶颈 集成电路加工过程中，光刻是核心。其主要作用是将掩膜板上的图形复制到衬底表面的光刻胶图形上，以便进行硅片的刻蚀，为离子注入工序做好准备。光刻成本占据了整个制造成本的35，一般的光刻工艺流程包括前处理、匀胶、前烘、对准曝光、显影、后烘。;缩小晶体管的尺寸和线宽的基本方法在于改进光刻技术，把刻蚀在硅片上的晶体管做得更小、连接晶体管的导线做得更细。而在光刻加工技术中，最小线宽的加工取决于所选用的光波的波长(光刻的光斑直径等于半波长)。目前，光刻中使用的光源是深紫外光，所以现行的光刻技术也被称为深紫

12、外光光刻技术。但是，即使使用较短波长的ArF准分子激光光源，其光刻精度仍然无法达到小于0.1微米。也就是说，当集成电路最小线宽的要求小于0.1微米时，现行的光刻技术将无能为力而面临着失败。,3. 互连瓶颈 当集成电路进入超大规模阶段后，器件特征尺寸已经进入深亚微米阶段，金属互连在整个集成电路芯片中所占的面积越来越大，金属互连问题也就自然成了集成电路进一步发展的关键。要想进一步提高芯片的集成度，就要减少金属连线宽度，增加连线层数。而连线宽度减小不仅会引起连线电阻增加，电路互连延迟时间增大，而且还会导致电流密度增加，引起电迁移和应力迁移，严重影响电路的可靠性。 传统的芯片采用的是铝连线。但铝互连线

13、已经不能满足超大规模集成电路进一步发展的需要。目前，铜互连技术正迅速走向实用。与铝相比，铜具有电阻率低（室温）、抗电迁移和应力迁移特性好等优点。,4. 能耗和散热瓶颈 随着集成电路芯片中晶体管数量大幅度增多，芯片工作时产生的热量也同样在大幅度增加，芯片的散热问题已经成为当今超大规模集成电路进一步发展的严重障碍，降低器件的能耗和解决芯片的散热也已成为微电子学技术进一步发展的一个主要技术瓶颈。特别是，随着芯片工作频率的不断提高，其发热量也急剧上升。有人估计。当微处理器速度达到30100吉赫时，运算次数则达到10000亿次/秒，这时高速运行的微处理器芯片的发热量将几乎与核反应产生的热量或太阳表面的热

14、量不相上下。,然而，限制微处理器的能耗并非易事。为使芯片能耗降低，就要在材料性能和晶体管结构上进行大量的改进。例如:，美国IBM公司首倡的以铜代铝技术，即芯片中采用铜线代替原先的铝线连接技术，由于铜比铝导电性更好，可以提高器件间的传输速率，降低连线的电阻，在提高芯片性能的同时，也能够在一定程度上降低芯片的发热量。另外，开发双内核微处理器，开发向微处理器的部分区域输送少量电流的小型能量来源，以及寻找能够代替或使硅的性能得到进一步增强的新型化合物等，也有一定的效果。,课堂讨论,1. 摩尔定律会终结吗？你从什么角度看这个问题？,未来信息技术器件,3.3.1 超导器件 3.3.2 量子器件 3.3.3

15、 光子器件 3.3.4 纳米电子器件 3.3.5 生物器件,超导器件,超导现象与超导体 超导现象是金属、合金和化合物在温度低于某一临界温度Tc时，电阻徒然降为零的现象。具有这种特性的物体称为超导体。 超导约瑟夫逊效应,超导计算机,约瑟夫逊器件的二态性可以用来表示0和1，应用于新型的超导电子计算机的硬件中。,量子器件,量子信息单元 量子存储,承载16个量子位的硅芯片,量子器件,量子计算 量子计算机可以节省大量的运算资源（如时间、记忆单元等）。 量子的基本逻辑运算有NOT，COPY，AND 3种。 量子通信 量子通信采用量子隐形传态的方法进行。,量子计算机,首先，量子计算机能够进行量子并行计算。

16、其次，量子计算机用量子位存储数据。 再次，量子计算机具有与大脑类似的容错性。,量子计算机结构,光子器件,光子器件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器件。 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，靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理。 它是超并行、高容错、超高速、高带宽、强抗干扰计算机的理想技术。,纳米电子器件,纳米（nm）本来是一个长度单位，1 nm=10-9m。 在这个尺度上基础物理结构表现出奇异特性 介观（mesoscopic）世界。 纳米电子器件是指器件的工作原理基于量子效应；具有相类似的典型的器件结构隧穿势垒包围“岛”（或势阱）的结构

17、。 纳米电子器件可分两大类：一是固体纳米电子器件；二是分子电子器件。,生物器件,生物器件，即脱氧核糖核酸（DNA）分子器件，主要是生物工程技术产生的蛋白质分子组成的生物芯片，通过控制DNA分子间的生化反应来完成运算。 生物器件特点：体积小，密度高，速度快，能耗低，可以自我修复。 一些生物芯片：如合成蛋白芯片、血红素芯片、赖氨酸芯片等。,生物计算机,2002年，奥林巴斯开发成功借助DNA之间的化学反应分析遗传基因的生物计算机。 2002年，以色列维茨曼科学研究所开发出一种由DNA和生物酶分子制成的可运行程序的分子计算机。,奥林巴斯开发的生物-电子计算机系统,课堂讨论,1. 你认为还有可以使用哪些

18、技术开发信息处理器件？,知识集锦,3.4.1 仙童和Intel 3.4.2 集成电路的规模,仙童,萧克莱半导体实验室 “The Traitorous Eight”（“八叛逆”） 仙童(Fairchild)半导体公司,仙童,1967年，赫尔尼、罗伯茨和克莱尔成立了阿内尔科公司。 接着，查尔斯斯波克来到国民半导体公司（NSC） 担任CEO。 格拉斯创办西格奈蒂克斯半导体公司。 1968年，诺依斯和摩尔创办了大名鼎鼎的英特尔（Intel）。 1969年，杰里桑德斯创办高级微型仪器公司（AMD）。,仙童,仙童在20世纪60年代的贡献已经载入史册。 它为整个半导体业培养了数不尽的优秀人才，是名副其实的半导体业的苗圃和引领世界半导体行业的头面人物的摇篮。,Intel,Intel