微电子发展历程及展望

微电子发展历程及展望

摘要：电子科学与技术是现代应用科学的重要组成部分，也是实现信息技术的基础。而随着人类步入信息社会，电子科学与技术及其应用也自然成为了信息社会的基石与核心。文章综合概述了电子科学与技术的发展历程，其涉及的知识以及研究内容，探讨了它如今面临的问题、机遇和挑战，并给出了可能的解决思路。

关键词：电子科学与技术;集成电路;科学发展史

DevelopmentofElectronicScienceandTechnology

Abstract:Electronicscienceandtechnologyisanimportantpartofmodernappliedscienceandthebasisofinformationtechnology.Ashumanbeingsstepintotheinformationsociety,electronicscienceandtechnologyanditsapplicationnaturallybecomethecornerstoneandcoreoftheinformationsociety.Thispapergivesacomprehensiveoverviewofthedevelopmentofelectronicscienceandtechnology,itsknowledgeandresearchcontent,discussestheproblems,opportunitiesandchallengesitfacestoday,andgivespossiblesolutions.

Keywords:Electronicscienceandtechnology;integratedcircuits;historyofscience

1引言：

集成电路和软件是信息社会经济发展的基石和核心。正如美国工程技术界评出20世纪世界20项最伟大工程技术成就中第五项电子技术时提到，“从真空管到半导体、集成电路，已成为当代各行各业智能工作的基石。”1945年，当世界上第一台电子计算机ENIAC问世,但它俨然是一个庞然大物，占地150m2，重30t，耗电140kW,而且价格昂贵，花费了40万美元，但运算速度仅5000次/秒,存储容量只有千位，而且性能还不可靠,平均稳定时间才几分钟。试设想，这样的计算机能进入办公室、家庭、甚至个人携带吗?然而，在今天，一台体积仅为笔记本大小的电脑其运算速度为每秒数亿次，重量不足两公斤，可以稳定、高可靠性地工作数十年,而成本仅为千美元量级。而这正是在电子科学与技术及其应用的推动下,以计算机为基础的信息技术才能取得如此巨大的成就，使得人类社会在21世纪成为信息的社会。同时给经济繁荣、社会进步和国家安全等方面带来了巨大成功，而且彻底改变了人们的生产、生活和思维方式。

2电子科学与技术的发展历史

电子科学与技术按基本电子器件可分为三个阶段：电子管阶段，半导体分立元件阶段，集成电路阶段。

2.1电子管阶段

电子管阶段是现代电子科学与技术的早期应用阶段，约从20世纪初开始一直到20世纪60年代，跨度近半世纪。这个阶段的基本电子元器件是真空电子管（简称电子管），核心器件是电子管以及机电式器件（如继电器、变压器、磁放大器等）。电子管最初在1904年由英国伦敦大学电工学教授弗莱明（SJ・A・F-leming1849〜1945）研制出。电子管利用电场对真空中的控制栅极注入电子调制信号，并在阳极获得对信号放大或反馈振荡后的不同参数信号，是一种最早期的电信号放大器件。电子管的问世，推动了无线电电子学的蓬勃发展，除应用于电话放大器、海上和空中通讯外，也广泛渗透到家庭娱乐领域，将新闻、教育节目、文艺和音乐播送到千家万户，推动了人类社会向信息社会过度。但电子管同时缺点明显，它十分笨重，能耗大、寿命短、噪声大，制造工艺也十分复杂，科学家们开始集中精力研制能取代电子管的固体元器件。而这一替代品就是晶体管。

2.2半导体分立元件阶段

半导体分立元件阶段是现代电子科学与技术得到迅速发展的阶段。这一阶段的基本电子元器件是半导体元器件，以晶体管为主要代表。晶体管最早由美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿在1947年12月研制成功。晶体管克服了电子管元器件体积大、效率低、对环境要求比较高、使用不便等缺点，使电子系统技术性能大幅度提高，体积大为缩小，消耗的功率也迅速减少，系统效率得到了很大提高。晶体管问世之后，由于其广泛的用途而被迅速投入工业生产。当时美国的晶体管生产基地主要集中于加州圣克拉拉周围的“硅谷”和德州达拉斯附近的“硅原”。

2.3集成电路阶段

随着电子装备复杂性的提高，连线和焊接点大大增加，不仅使电路系统体积太大，而且可靠性很差。出于对电子装备可靠性和小型化的要求，人们就着手研究“集成”。美国TI公司的J.S.Kilby认为有可能将这些元件同时“在位”制备在一起,并用互连形成电路,终于在1958年9月12日在实验室实现了第一个集成电路震荡器的演示实验，标志着集成电路的诞生。

图一第一块集成集成电路

集成电路的发明，是电子技术发展的重要里程碑。它把一个完整的电子系统集成在一个芯片中，构成片上系统(SystemonaChip，SoC)，使得电子系统的体积和功率损耗进一步缩小，进一步扩大了电子技术的应用范围。集成电路经历了小规模(SSI)，中规模(MSI)、大规模(LSI)，超大规模(VLSI)，甚大规模(ULSI集成电路几个阶段。集成电路的发明为人类开创了微电子时代的新纪元。

集成电路首先被应用于航天和军事。1969年美国阿波罗11号登月成功和上世纪90年代两次海湾战争中“芯片打败钢铁”(即当时美国用高端芯片装备的巡航导弹击败了伊拉克的坦克、大炮)是集成电路应用于航天和军事最成功的事例。

成电路自发明以来四十年间，集成电路芯片的集成度每三年提高4倍,而加工特征尺寸缩小2倍。这就是由Intel公司创始人之一的GordonE.Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律【1】。

1971年1月，英特尔公司制造出了一个能实际使用的微处理器“4004”芯片，它是世界上第一台真正的微处理器【2】。1980年IBM研制出第一代商用化PC，把世界推进到PC时代。又仅仅经过十几年的时间，世界上近20亿台PC互相联网，形成了“互联网”，整个地球变成了“地球村”。

从上世纪70年代起，日本一直致力于消费类集成电路的发展。随着世界数字技术取代模拟技术，数字化消费类集成电路蓬勃发展至今。集成电路渗透到生活的每个角落，“芯片”成为人们生活不可分割的内容⑶。

3涉及知识及研究内容

电子科学与技术是一级学科的名称，下设物理电子学、电路与系统、微电子学与固体电子学、电磁场与微波技术四个二级学科。以电子器件及其系统应用为核心，重视器件与系统的交叉与融合，因此综合性较强。涉及数学，物理学，固体物理学，半导体物理学，量子力学等基础学科。以及电路分析，信号与系统，电磁场与电磁波，模拟电子技术，数字电子技术，数字信号处理技术，集成电路设计基础，器件与集成电路制造工艺，集成电路建模技术等技术基础。

电子科学与技术涉及的领域十分广泛、产业规模巨大。以其分支微电子为例，主要涉及研究集成电路的设计、制造、封装相关的技术与工艺。由于实现信息化的网络、计算机和各种电子设备的基础是集成电路，所以微电子技术相关行业除了集成电路行业和半导体制造行业外，还涉及计算机及其外设、家用电器及民用电子产品、通讯器材、工业自动化设备、国防军事、医疗仪器等。光电子、物理电子等其它分支涉及的产业也较广泛⑷。

4集成电路面临的问题

4.1国际上面临的问题

集成电路技术发展现在对物理学基础理论提出了挑战，同时也对物理学研究提出了新的、更高的要求。随着器件特征尺寸的不断缩小，特别是在进入到纳米尺度的范围后，集成电路技术的这种一维发展模式面临着一系列物理限制的挑战。

4.1.1基本物理规律的限制

集成电路技术进一步发展遇到了很多物理障碍，如费米钉扎、库伦阻塞、量子隧穿、杂质涨落、自旋输运等，需用介观物理和基于量子化的处理方法来解决.随着器件特征尺寸缩小，量子效应变得显著，这些传统的微电子学理论需要利用量子力学理论对其进行改造。虽然在微观的原子尺度上，量子力学方法已建立起了一套完备的分析计算方法，但由于涉及极大的运算量和存储量，实际很难应用到多电子系统的固态电子学，因此，亟需发展一种全新的方法，这需要微电子学家和物理学家通力合作【5】。

4.1.2材料方面的限制

主要是传统的微电子材料如硅衬底材料、二氧化硅绝缘材料、多晶硅及其硅化物和金属导电材料等无法满足集成电路技术进一步发展的需要。为了解决这方面的限制问题，需要引入一些新的材料到集成电路技术中来。

4.1.3技术方面的限制

传统的集成电路工艺技术，如光学光刻工艺、离子注入工艺等将接近其物理极限，无法满足器件进一步缩小的制备需要。解决该限制的途径是寻找新的工艺方法和途径。

4.1.4系统方面的限制

系统方面的限制包括互连延迟的限制、系统散热问题的限制等。随着器件尺寸的缩小和集成密度的增加，互连引线的横截面越来越小，使得电阻值增高，互连引线占的面积增加，互连引线的时延问题成为制约集成电路或集成系统性能进一步提高的主要因素。问题的真正解决，还需要采用新的互连模式，如采用光互连模式。同时，随着集成度的提高，集成在芯片上的晶体管数越来越多，电路系统的散热问题变得日益严重⑹。

4.2国内面临的问题

中国大陆集成电路产业起步晚，且过去长期采取技术引进、模仿为主导的追赶策略，因而总体仍处于跟随者和学习者的角色，整体水平与世界先进水平存在较大差距。2015年我国集成电路市场需求为1040亿美元，自产集成电路规模为132亿美元，自给率仅为12.7%。到2020年，尽管我国集成电路产业又有更大发展，但集成电路的自给率也仅能达到18.5%【7】。

4.2.1技术水平有差距，高端芯片依赖进口

目前国内部分芯片设计水平与国外基本同步，但产品相对单一，主要为通讯芯片。而其他很多种类的高端芯片则几乎都为进口。在先进工艺方面，三星、台积电、英特尔在先进工艺上取得较快进展，现已量产7纳米芯片，并开始向5纳米挺进，而中国则刚实现14纳米芯片的量产【8】。在封测技术我国接近国际先进水平，但仍存在一定差距【9】。

4.2.2技术研发投入不足

除了国家科技重大专项外，国家其他科技计划基本上没有集成电路相关的项目和经费投入。2008年启动的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”及“极大规模集成电路装备及成套工艺”两个国家科技重大专项平均每年在集成电路领域的研发投入不过40〜50亿元，不及Intel一家研发费用的5.2%〜7.7%。集成电路制造厂的平均研发投入低于其销售收入的12%；设计企业的研发投入比例也低于15%；封测企业的平均研发投入就更低。综上所述，全国每年用于集成电路研发总投入约45亿美元，即少于300亿元人民币，仅占全行业销售额的6.7%，不到Intel公司一家年研发投入的50%。

4.2.3人才团队严重短缺

集成电路是资金密集、技术密集和人才密集的产业。人才作为第一资源，是集成电路领域的核心和关键。目前，我国集成电路产业的从业人员总数不到30万人，按照2020年全产业销售10000亿元人民币，人均产值140万元计算，需要70万人的规模。因此，目前的人员数量缺口极大【1。】。

5可能的解决思路

5.1国际上问题的解决思路

如何突破集成电路的物理限制并满足节能社会的需求，目前在进行的有3条技术途径

5.1.1MoreMoore

继续走scalingdown之路，将与数字有关的内容集成在单一芯片上，成为芯片系统(SoC,systemonchip),但1614nm之后的大生产工艺尚不明朗,还正在摸索之

中。

MorethanMoore

采取系统封装(SiP,systeminpackage)的方法将非数字的内容,如模拟电路、射频电路、高压和功率电路、传感器乃至生物芯片全部集成在一起,形成功能更全、性能更优、价值更高的电子系统；

BeyondMoore

即采用自下而上(bottomup)的方法或采用新的材料创建新的器件结构，如量子器件(单电子器件、自旋器件、磁通量器件等)和基于自组装的原子和分子器件(石墨烯、碳纳米管、纳米线等)，也有可能随着物理、数学、化学、生物等新发现和技术突破，另辟蹊径，建立新形态的信息科学技术及其产业.预计集成电路技术在21世纪30年代,上述技术途径在相互碰撞的火花中会产生革命性的突破【11】。

图二后摩尔时代集成电路技术发展方向

5.2国内问题的解决思路

5.2.1推动并购重组，加快形成龙头企业优势

近年来，全球主要集成电路装备企业不断加快并购重组步伐，进一步提升产业积聚度和竞争力。我国要在这种全球竞争态势下站稳脚跟，持续提升竞争力，需要形成能参与全球竞争的龙头企业，需要在现在产业基础上，加快推动企业合并和重组。

5.2.2强化科技布局，重点支持合作研发

近年来，我国集成电路工艺与装备过多依赖于国家重大专项的支持。但对于具有基础优势、代表核心竞争力，又面临严峻挑战的集成电路装备产业，我国需要在系统制定前瞻性产业发展战略和技术创进一步强化政府引导，加大科技研发投入，整合资源优势，重点支持合作研发计划，可联合国际力量和终端用户、依托企业创新平台、在创新平台机制或者引入国际合作资源配置的合作网络方面给与支持，以形成技术创新合力、提升技术创新实力和效率。

5.2.3加强布局光刻机光学系统研发领域，追赶国际先进水平

光刻机是集成电路装备中最关键的设备，其价值也是整个集成电路装备价值链中最高的一种，占整个装备价值链的30%〜40%。针对目前我国国家科技计划对于光刻机光学系统领域的支持还不够的现状，应充分发挥自身优势条件，加强布局这一领域的科技研发项目，在政府引导下，通过整合上下游科技资源，形成合力进行技术攻关，加快提升自主技术水平，追赶国际先进水平【⑵。

6小结

电子科学与技术充二十世纪初开始发端，历经几个时期，在二十世纪后叶迎来飞速发展，为世界带来了翻天覆地的变化，使我们步入了信息时代。随着研究的深入，集成电路在许多领域都遇到了难以突破的瓶颈。但集成电路还可以与其它学科、技术结合,形成新的方向、新的学科或专业，不断改变着传统专业分工的格局[13]。回眸近50年来世界电子信息新兴技术和新兴产业发展的历史，可以得出一个共同的结论：集成电路是当代电子信息技术的核心和基础，集成电路产业是一个国家(或地区)国民经济和社会发展的战略性、基础性和先导性产业。而我国集成电路产业起步较慢，在多方面落后于西方国家，但国家近几年逐渐重视，投入资金也是逐年提高。可以相信，在不远的将来，我国的集成电路技术水平必将达到国际