微电子技术的发展现状与趋势-张志勇

EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.211微电子技术发展现状与趋势西北大学信息科学与技术学院张志勇EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.212微电子技术的战略地位与作用微电子技术的发展历史与现状微电子技术的发展规律与趋势EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.213电子学微电子学微电子学（Microelectronics）——微型电子学什么是微电子学或微电子技术？EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.214微电子技术的核心——集成电路（IntegratedCircuit，缩写IC）通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.215EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.216微电子技术的战略地位与作用EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.217微电子技术——信息社会发展的基石自然界和人类社会的一切活动都在产生信息。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，是人类社会、经济活动的重要资源。社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光纤和通讯卫星群以光速和宽频带地传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯设备，以及国防安全系统，它们的基础都是微电子技术。EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2181991年的海湾战争双方出动军队100多万人，经历42天，伊拉克伤亡10多万人（其中死亡2万多人），被俘17.5万人，击毁了3700多辆坦克、2600多门火炮、2400多辆装甲车和243架飞机（其余的147架飞机紧急转移到伊朗才免遭厄运）。多国部队出兵80多万人，死亡149人（其中美军79人），伤513人，出动10万余架次飞机，仅损失45架（包括非战斗损失9架）。硅片打败了钢铁！EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.219世界第一台通用电子计算机--ENIAC大小：长30.48m，宽6m，高2.5m；速度：5000次/sec；功率：150KW；平均无故障运行时间：7min1946年2月14日在美国宾夕法尼亚大学的莫尔电机学院诞生(莫科里)，由18,800多个电子管组成，重量30多吨，占地面积170多平方米。EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2110这样的计算机能够进入办公室、车间、家庭和我们的手提包里？当时有的科学家认为全世界只要4台ENIAC就足够了。目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约6亿台，每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2111集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的“食物链”关系：集成电路1~2元电子产品10元国民经济产值100元进入信息化社会的判据：微电子技术产值占工农业总产值的0.5%微电子技术产值——进入信息社会的判据EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2112集成电路产值1万亿美元GDP≈50万亿美元据美国半导体协会（SIA）预测2012年电子信息服务业30万亿美元相当于1997年全世界GDP总和电子装备6-8万亿元EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2113统计数据表明：发达国家在发展过程中都有一条规律★集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子工业产值的增长率（REI）★电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率（RGDP）一般有一个近似的关系：RIC≈1.5~2REIREI≈3RGDPEE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2114几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用集成电路芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量的30%，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电500亿度以上，相当于三个葛洲坝电站的年发电量(170亿度/年)对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用30%，所节省的电能相当于三座大亚弯核电站的年发电量(139亿度/年)3、微电子技术——对传统产业的带动作用EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2115电子装备更新换代都基于微电子技术的进步，其灵巧（Smart）的程度都依赖于集成电路芯片的“智慧”程度和使用程度数控机床普通机床数字化技术改造价格相差10倍集成电路整机系统高附加值在成长期进入市场，增强市场竞争力EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2116没有微电子的电子工业只能是劳动密集型的组装业，不能形成高附加值的知识经济，中国的硅谷将是无芯的硅谷0500100015002000钢铁汽车彩电计算机集成电路对国民经济的贡献率对国民经济的贡献率EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.21174、微电子产业的战略重要性2020年世界最大的30个市场领域：其中与微电子相关的22个市场：5万亿美元市场销售额（10亿美元）市场销售额（10亿美元）手提数据通讯*630超薄显示器*170个人电脑*470IC卡*165移动电话服务*380地面微波广播*160CPU*300DNA生物芯片160数据存储产品*270多用途通讯设备*155磁存储*250半导体设备*150电子商务*250电力交通工具150网络信息服务*230墙壁式超薄电视*145高密度磁存储*230移动电话*140系统集成芯片*210直接引入工具140家庭医疗设备*210ITS设备140互联网*200DNA加工食品135有线电视*200液晶显示器*120智能传输系统190仿制品115代理软件*180燃油汽车110EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2118微电子技术的发展水平和微电子产业的规模已经成为衡量一个国家综合实力强弱的重要标志！EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2119微电子技术的发展历史与现状EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2120理论推动19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要物理效应–光电导效应–光生伏特效应–整流效应量子力学材料科学需求牵引：二战期间雷达等武器的需求发展历史EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.21211946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管晶体管的发明发展历史EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.21221947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain获得1956年Nobel物理奖发展历史EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2123晶体管的三位发明人：肖克莱、巴丁、布拉顿发展历史EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2124集成电路的发明1952年5月，英国科学家达默（G.Dummer）第一次提出了集成电路的设想1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(J.Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果发展历史EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2125获得2000年Nobel物理奖1958年第一块集成电路：TI公司的J.Kilby基片为Ge晶片，集成了12个器件。发展历史EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2126微电子发展史上的几个里程碑1962年F.Wanlass、C.T.Sah——CMOS技术现在集成电路产业中占95%以上1967年Kahng、S.Sze——非挥发存储器1968年Dennard——单晶体管DRAM1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏美国欧特泰克公司认为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新发展历史EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2127第一个CPU--Intel40041971年由Intel制造2000多个晶体管10μm的PMOS工艺发展历史EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2128Intel8088•1979年3月•16Bit•5到8MHz•2.9万个晶体管•1.5µm工艺EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2129Intel386•1985年10月•32Bit•16到32MHz•27.5万晶体管•1µm工艺EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2130Intel486•1989年4月•32Bit•25到50MHz•120万个晶体管•1-0.8µmEE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2131Pentium•1993年3月•32Bit•60到166MHz•310万个晶体管•0.8µmEE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2132P6(PentiumPro----高能奔腾)1995年11月面市150to200MHz时钟550万个晶体管0.35微米工艺4层金属互联387管脚EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2133IntelPentium840EE双核处理器制造工艺：90nm晶体管数：2.3亿个芯片面积：206mm2互联技术：7层铜互连最高功耗：130WEE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.21342007年1月英特尔推出45nm正式量产工艺，45nm技术是全新的技术，可以让摩尔定律至少再服役10年。四核CPU制造工艺：45nm晶体管数：8.2亿个管脚数：775个核心技术：铪金属高-K与金属栅组合新工艺EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.21350.5m1m头发丝粗细的百分之一30~50m(皮肤细胞的大小)100nm我们已进入纳米时代90nm-32nm工艺已进入规模生产晶体管本身的宽度只有30-50nm集成度已达109--1010发展现状EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2136多层铜互连技术已实现9层互连，IntelPentium840EE双核处理器采用的是7层互连技术。发展现状EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2137解调/纠错传输反向多路器MPEG解码DRAMDRAM声频接口视频接口IBMCPUSTBPSCIIEEE1284GPIO,etcDRAM卫星/电缆第二代将来第三代SOCSystemOnChip集成电路走向系统芯片发展现状EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2138微电子技术发展规律与趋势EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.21392微电子发展的规律发展规律集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而芯片加工特征尺寸每三年缩小倍。这就是由Intel公司创始人之一GordonMoore博士1975年在IEEE的学术年会上提出的，被称为摩尔定律。EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.21401,000,000100,00010,0001,00010100119751980198519901995200020052010808680286i386i486Pentium®Pentium®ProK1BillionTransistorsSource:IntelProjectedPentium®IIPentium®IIIPentium®ⅣPentium®840EECPU的晶体管数目遵守摩尔定律的规律发展规律EE141西北大学信息科学与技术学院2008.9.2141存储器的性能和工艺复杂程度也符合摩尔定律发展规律EE141西北大学信息科学与