第7講集成電路：信息產(chǎn)業(yè)基石【注釋】“集成電路”與“信息存儲”總結(jié)2次課程4學時，由于“集成電路”內(nèi)容較多，需要120分鐘（45分/學時），“信息存儲”安排60分鐘。一、教學內(nèi)容主要講授以下內(nèi)容：晶體之火：晶體管誕生集成電路：發(fā)明和發(fā)展集成電路：制造與工藝集成電路：分類與設計集成電路：產(chǎn)業(yè)鏈演化二、教學目標由于集成電路內(nèi)容非常多，這里選擇部分內(nèi)容知識層面了解集成電路的發(fā)展歷程以及我國在集成電路領域面臨的挑戰(zhàn)，學習晶體管誕生的時代背景和發(fā)明故事，集成電路從構(gòu)想到實現(xiàn)、產(chǎn)業(yè)化以及快速發(fā)展的歷程。同時介紹我國在集成電路領域近年來的快速發(fā)展以及面臨的挑戰(zhàn)。能力層面以布拉頓、巴丁、肖克利合作發(fā)明晶體管的故事為例，引導學生思考團隊協(xié)作的作用。針對晶體管的發(fā)明體現(xiàn)出合作的價值，引導學生思考布拉頓、巴丁、肖克利3人的各自貢獻和團隊協(xié)作的作用，樹立合作意識，培養(yǎng)團隊協(xié)作能力。類似地，系統(tǒng)級芯片（SOC）中軟硬件協(xié)同、集成電路產(chǎn)業(yè)生態(tài)等。從摩爾定律出發(fā)，引導學生思考終身學習的意義。從摩爾定律出發(fā)，指出企業(yè)要是跟不上摩爾定律的節(jié)奏，將遭受滅頂之災，企業(yè)要生產(chǎn)發(fā)展，就要超越摩爾定律的步伐。進一步引導學生思考自身的職業(yè)生涯，唯有不斷學習，拓寬視野，才能有立足之地。價值層面在國家中長期計劃重大專項以及集成電路大基金資助下，我國集成電路產(chǎn)業(yè)及其基礎研究獲得新的發(fā)展機會，設計、制造、測試、封裝、裝備與材料都取得了巨大進步，例如刻蝕設備、集成電路設計、封裝等，增強了發(fā)展的信心。但是光刻機、EDA等領域，依然面臨嚴峻挑戰(zhàn)，要有突破卡脖子技術(shù)的使命感。三、本講概要首先回顧了電子管、晶體管、集成電路的誕生，器件的發(fā)明，由物理機理、材料和結(jié)構(gòu)設計三者決定?；趷鄣仙l(fā)明了電子管，由此開啟了電子時代。發(fā)展到極致就是通用電子管計算機，迫切需要發(fā)明更小的器件?；诎雽w物理，在肖克利、巴丁與布拉頓的共同努力下發(fā)明了晶體管。肖克利最先認識到晶體管的巨大潛力，稱其為信息時代的“神經(jīng)細胞”。1956年在硅谷創(chuàng)辦肖克利實驗室，點燃了硅谷的晶體之火。而仙童公司的成立，以及從這里走出了大量的人才。晶體管取代了電子管，但隨著電路系統(tǒng)功能的增強，元件數(shù)量愈來愈多，工程師設計的電路累計需要幾千米長的線路和數(shù)百萬個焊點，設計與制造遇到了新挑戰(zhàn)?；鶢柋扰c諾伊斯，分別發(fā)明了集成電路，并且在IBM360中獲得了巨大成功。要描述集成電路的發(fā)展速度，就需要借助摩爾定律來描述。集成電路的制造，既有新器件結(jié)構(gòu)與工藝的發(fā)展，也有工藝設備的重要貢獻，如光刻機、刻蝕機等。伴隨集成電路的發(fā)展，從集成制造商模式IDM，逐漸走向設計（Fabless）與制造（Foundry）分離模式，從手工設計走向電子設計自動化EDA。集成電路本身也從單一功能走向系統(tǒng)級芯片（SoC），從專用芯片（ASIC）擴展到可編程芯片（FPGA），由此發(fā)展出無芯片（Chipless）的靠出售IP的企業(yè)群。目前集成電路制造、設計、EDA工具、FPGA、IP等企業(yè)都在構(gòu)筑自己的生態(tài)系統(tǒng)，確保自身的競爭力。四、教學重點與難點4.1晶體管和集成電路的發(fā)明布拉頓和巴丁制造出了世界上第一個晶體管，它標志著電子技術(shù)從電子管進入到晶體管時代邁出的第一步。晶體管的發(fā)明讓那個時代的工程師和科學家們倍受鼓舞，電子設備的體積可以大大縮小，可靠性也將得到進一步提升。電路集成化的設想是在晶體管興起后不久的1952年，由英國皇家雷達研究所科學家達默首次提出。他認為“可以把電子線路中的電阻、電容、晶體管，以及其他必要的分立元件，集中制作在一塊半導體晶片上，構(gòu)成一塊具有特定功能的電路。這樣一來，電子線路的體積就可以大大縮小，可靠性大幅度提升?！?958年杰克·基爾比來到德州儀器工作，按照美國國防部要求，從事電子設備小型化研究。經(jīng)過近2個月的努力，1958年9月，集成在一塊半英寸長、一把折疊刀那么寬的鍺晶片上的相移振蕩器終于完成，如圖所示。這個振蕩器所包含的4個元器件已不需要用金屬導線相連，集成電路誕生了。4.2摩爾定律要想正確刻畫集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，就需要借助摩爾定律。1965年春天，戈登·摩爾在工作之余無意間發(fā)現(xiàn)：集成電路，它的集成度與時間的關(guān)系曲線呈現(xiàn)出很有規(guī)律的幾何級增長。于是時任仙童半導體公司研究開發(fā)實驗室主任的他，應邀為《電子學》雜志35周年?？瘜懥艘黄簧凶顬橹匾奈恼隆蹲尲呻娐诽顫M更多元件》。在文中，基于對4個數(shù)據(jù)點的趨勢分析，他指出：集成電路上能被集成的晶體管的數(shù)目，將以每18個月翻一番的速度穩(wěn)定增長，并將在數(shù)十年內(nèi)保持這個趨勢。集成電路的發(fā)展證實了摩爾的天才預測。1975年摩爾的朋友米德（電子設計自動化的先驅(qū)，加州理工學院名譽教授），稱這一現(xiàn)象為“摩爾定律”。從摩爾定律引申到終身學習的意義：摩爾定律仿佛是懸在IT企業(yè)頭上的一把達摩克利斯之劍，要是跟不上摩爾定律的節(jié)奏，企業(yè)將遭受滅頂之災。進一步思考我們自身的職業(yè)生涯，唯有不斷學習，拓寬視野，才能有立足之地。4.3摩爾定律與信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展半個多世紀以來，新興的電子信息產(chǎn)業(yè)把它奉為“第一定律”，企業(yè)的發(fā)展、規(guī)劃和戰(zhàn)略制定都要遵循它。在摩爾定律的指導下，英特爾不斷地克服技術(shù)難關(guān)，進行技術(shù)創(chuàng)新來提高集成電路的集成度和性能，為整個產(chǎn)業(yè)帶來了繁榮。同樣，基于摩爾定律，羅斯·弗里曼大膽地提出了可編程邏輯器件FPGA，為集成電路設計產(chǎn)業(yè)提供了新的方向。再來看計算機的發(fā)展速度，1945年，第一臺電子計算機ENIAC每秒可以進行5000次加減運算，而2019年英特爾、英偉達、AMD等GPU運算速度達到萬億次浮點運算，是ENIAC的2億倍以上，體積和耗電量卻不及其萬分之一。摩爾定律指引下，50年內(nèi)產(chǎn)生了8個數(shù)量級的進步，PC、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、智能手機、智能硬件的誕生與普及，微處理器嵌入到工業(yè)設備、汽車、家電等所有的設備中，甚至延伸到各種物品，形成萬物智能、萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)。摩爾定律主導著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，身處其中的科技公司必須全力以赴投入研發(fā)，追趕行業(yè)發(fā)展的速度。4.4集成電路工藝制造集成電路制造，簡單地說，經(jīng)過氧化、光刻、擴散、外延、蒸鋁等制造工藝，把構(gòu)成具有一定功能的電路所需的晶體管、電阻、電容等元件及它們之間的連接導線全部集成在一小塊硅片上，然后焊接封裝在一個管殼內(nèi)的電子器件，形成集成電路產(chǎn)品?；パa金屬氧化物CMOS的發(fā)明與大規(guī)模應用。延續(xù)摩爾定律的途徑—新材料：登納德縮放定律，工藝節(jié)點到90nm階段，沿用已有材料與結(jié)構(gòu)，遇到了嚴重挑戰(zhàn)。后續(xù)的65nm、45nm、32nm、28nm工藝節(jié)點，CMOS器件的設計中需要尋找新的材料。延續(xù)摩爾定律的途徑—新結(jié)構(gòu)：由華裔胡正明發(fā)明，鰭式場效應晶體管（FinField-effecttransistor，F(xiàn)inFET），是一種立體的場效應晶體管，屬于多柵極晶體管，F(xiàn)in在構(gòu)造上與魚鰭非常相似，所以稱為“鰭式”。4.5系統(tǒng)級芯片系統(tǒng)級芯片（SystemonChip，SoC），起源于20世紀90年代中期，隨著集成電路技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，可以將整個電子系統(tǒng)集成在一個芯片上。SoC作為系統(tǒng)級集成電路，它可在單一芯片上實現(xiàn)信號采集、轉(zhuǎn)換、存儲、處理和I/O等功能，它將數(shù)字電路、存儲器、MPU、MCU、DSP、A/D、D/A以及各種外圍配置等集成在一塊芯片上，從而實現(xiàn)一個完整的系統(tǒng)功能。SoC的設計與制造涉及深亞微米技術(shù)、特殊電路的工藝兼容技術(shù)、設計方法的研究、嵌入式IP核（IntellectualProperty）設計技術(shù)、測試策略和可測性技術(shù)以及軟硬件協(xié)同設計技術(shù)和安全保密技術(shù)。SoC以IP復用為基礎，把已經(jīng)優(yōu)化并驗證過的子系統(tǒng)、甚至系統(tǒng)級模塊納入新的系統(tǒng)設計之中。采用片內(nèi)可編程技術(shù)，使得SoC內(nèi)硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來配置，從而可以實時地進行靈活而方便的更改和開發(fā)，甚至可以在系統(tǒng)運行過程中不停機地進行再配置，使相同的硬件可以按不同時段實現(xiàn)不同的功能，提高了系統(tǒng)的效率。這種全新的系統(tǒng)設計概念，使新一代的SoC具有較強的靈活性和適應性。它不僅使電子系統(tǒng)的設計和開發(fā)以及產(chǎn)品性能的改進和擴充變得十分簡易和方便，而且使電子系統(tǒng)具有更好的性能、更低的功耗、更小的體積和更低的成本，帶來了電子系統(tǒng)設計與應用的革命性新變革，可廣泛應用于移動電話、硬盤驅(qū)動器、個人數(shù)字助理和手持電子產(chǎn)品、消費性電子產(chǎn)品等。隨著系統(tǒng)級芯片SoC與可編程芯片F(xiàn)PGA的發(fā)展，在集成電路設計領域，又出現(xiàn)了無芯片Chipless模式，也即僅僅出售半導體IP核，并不銷售芯片的企業(yè)，如ARM和Imagination等公司。隨著集成電路的規(guī)模越來越大、設計越來越復雜，設計者的主要任務是在規(guī)定的時間周期內(nèi)完成復雜的設計。調(diào)用IP核能避免重復勞動，大大減輕工程師的負擔，因此基于SoC的芯片設計企業(yè)購買IP核是一個發(fā)展趨勢，IP核的重用大大縮短了產(chǎn)品上市時間，如華為麒麟如華為麒麟997070，購買寒武紀公司的AIAI核，成功地獲得商業(yè)先機；蘋果智能處理器A10，選用Imagination的GPU核。4.6工藝和裝備光刻機，也稱掩膜對準曝光機、曝光系統(tǒng)、光刻系統(tǒng)等，由紫外光源、光學鏡片、對準系統(tǒng)等部件組裝而成。在芯片加工過程中，光刻機投射光束，穿過印著圖案的掩膜及光學鏡片，將電路圖案曝光在帶有光感涂層的硅片上，通過蝕刻曝光的部分形成凹槽圖案，再進行沉積、蝕刻、摻雜，形成集成電路。一套EUV光刻系統(tǒng)包含10萬個零件，4萬個螺栓，重量達到180噸。ASML所獨家擁有的EUV光刻機，使得半導體行業(yè)可以進行10nm以下制程研發(fā)與生產(chǎn)。這是制約我國集成電路制造能力的卡脖子技術(shù)。等離子體刻蝕機是芯片制造環(huán)節(jié)的一種關(guān)鍵設備，它是在芯片上進行微觀雕刻，刻出又細又深的接觸孔或者線條，每個線條和深孔的加工精度是頭發(fā)絲直徑的幾千分之一到上萬分之一。我國的中微半導體公司已經(jīng)躋身國際先進行列，在我國集成電路裝備領域發(fā)展最好的。4.7集成電路產(chǎn)業(yè)鏈演化集成電路產(chǎn)業(yè)為適應技術(shù)的發(fā)展和市場的需求，其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了三次變革。第一次變革是加工制造為主導的集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初級階段；第二次變革體現(xiàn)為以制造加工為主的代工型公司與專注芯片設計的集成電路設計公司協(xié)同發(fā)展；第三次變革則出現(xiàn)“四業(yè)分離”的集成電路產(chǎn)業(yè)，即形成了設計、制造、封裝與測試業(yè)獨立運營的局面。而近年來，設計領域出現(xiàn)了專注IP模塊的企業(yè)的等。五、教學思路與進程5.1課程教學設計思路本科一年級學生對于電子信息工程專業(yè)的認知不足，也缺乏相應的知識基礎。而且由于剛經(jīng)歷高中大量的考試，難免會帶有應試的思維。然而，這正是為專業(yè)發(fā)展打基礎、強根本的雛形時期，應最大程度上激發(fā)學生的好奇心、學習興趣和科研潛力。因此，在教學過程中不能簡單的說教，而是通過以歷史的脈絡串聯(lián)起故事，并在講述故事的過程中將道理蘊含其中，注重培養(yǎng)思維，進而達到趣味性與專業(yè)性和系統(tǒng)性的相統(tǒng)一。本節(jié)課故事很多，包括電子管的發(fā)明、仙童公司、基爾比、諾伊斯與集成電路發(fā)明、登納德縮放定律、羅斯·弗里曼與FPGA、張忠謀與臺積電、張汝京與中芯國際、ASML與光刻機、林本堅與浸潤式微影技術(shù)、尹志堯與中微半導體、卓以和與分子束外延、華大九天與EDA、華為海思等。下面以3個課程重點為例介紹教學設計，具體描述如下：通過晶體管的發(fā)明故事，幫助學生了解晶體管的歷史信息。講述晶體之火的故事，在課后思考題中，針對晶體管的發(fā)明體現(xiàn)出合作的價值，引導學生思考布拉頓、巴丁、肖克利3人的各自貢獻和團隊協(xié)作的作用，樹立合作意識，培養(yǎng)團隊協(xié)作能力。在課后的思考題中，推薦學生閱讀《晶體之火》，從應用需求與相關(guān)技術(shù)基礎兩個方面，請同學們分析晶體管誕生的必然性。從集成電路的誕生背景、達默構(gòu)想、正式誕生、專利之爭、摩爾定律幾個部分展開介紹，使學生了解集成電路的發(fā)明和發(fā)展過程。本節(jié)重點放在摩爾定律的講述，指出企業(yè)要是跟不上摩爾定律的節(jié)奏，將遭受滅頂之災。在課后思考題中，從應用需求與相關(guān)技術(shù)基礎兩個方面，請同學們分析集成電路誕生的必然性。請你分析摩爾定律對IT產(chǎn)業(yè)，如FPGA、智能手機的影響，假如摩爾定律還有30年，那么你應該如何規(guī)劃你的職業(yè)生涯？讓學生認識到唯有不斷學習，拓寬視野，才能有立足之地，向?qū)W生傳達終身學習的必要性。通過對集成電路制造工藝的發(fā)展歷程及各種工藝的特點進行初步的介紹。讓學生進一步了解集成電路，介紹集成電路的設計工具和設計流程，以及ASIC與FPGA、SoC、人工智能。介紹ARMRISC體系及集成電路的封裝技術(shù)、測試系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)。從介紹