信息化導(dǎo)論第講微電子技術(shù)與摩爾定律

信息化導(dǎo)論第講微電子技術(shù)與摩爾定律第一頁，共五十五頁，2022年，8月28日內(nèi)容提要3.1從電子管到集成電路3.2摩爾定律3.3未來信息技術(shù)器件3.4知識(shí)集錦第二頁，共五十五頁，2022年，8月28日從電子管到集成電路3.1.1從電氣世界到電子世界3.1.2真空管3.1.3晶體管3.1.4集成電路第三頁，共五十五頁，2022年，8月28日從電氣世界到電子世界早在3000多年前，人類已經(jīng)開始認(rèn)識(shí)“電”。東漢初期的王充：“頓牟（玳瑁）掇芥”晉朝人關(guān)于摩檫起電公元前6世紀(jì)希臘七賢之一的泰勒斯發(fā)現(xiàn)摩檫琥珀吸引小物體，把這種現(xiàn)象稱為琥珀——λεκτρον在漫長的歲月中，人們只是從宏觀上來研究“電”。1600年英國物理學(xué)家吉伯的帶電實(shí)驗(yàn)1752年富蘭克林的放風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)1785年法國科學(xué)家?guī)靵鲫P(guān)于電測量的實(shí)驗(yàn)1799年意大利科學(xué)家伏特的電化實(shí)驗(yàn)1820年丹麥自然哲學(xué)家奧斯特的電流效應(yīng)實(shí)驗(yàn)法國物理學(xué)家安培關(guān)于載流螺旋管與磁鐵等效性實(shí)驗(yàn)1895年俄國波波夫和意大利的馬克尼的無線信號(hào)傳送實(shí)驗(yàn)。第四頁，共五十五頁，2022年，8月28日從電氣世界到電子世界1897年英國物理學(xué)家J.J.湯姆遜確認(rèn)陰極射線的粒子性，證實(shí)了電子的存在，人類對于電的研究才開始進(jìn)入了微觀——電子世界。湯姆遜及其試驗(yàn)裝置第五頁，共五十五頁，2022年，8月28日真空管1883年，“愛迪生效應(yīng)”。1904年，弗萊明與 熱離子閥。第六頁，共五十五頁，2022年，8月28日真空管熱離子閥催生了世界上第一只電子管——真空二極管。1906年，德福雷斯特在弗萊明的玻璃管內(nèi)添加了金屬網(wǎng)狀的“柵極”，形成三極管。第七頁，共五十五頁，2022年，8月28日真空管

商品三極真空管及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)電子管的出現(xiàn)，極大地推動(dòng)了無線電技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。第八頁，共五十五頁，2022年，8月28日晶體管從對于晶體的發(fā)現(xiàn)和研究開始3000年前，人們就想揭開指南針的秘密1611年，開普勒對雪花呈六角形產(chǎn)生了好奇1834年法拉第發(fā)現(xiàn)硫化銀電阻會(huì)隨溫度升高而下降1874年布勞恩發(fā)現(xiàn)金屬與硫化物接觸面上會(huì)出現(xiàn)單向?qū)щ姮F(xiàn)象1876年亞當(dāng)斯和代依發(fā)現(xiàn)硒表面會(huì)發(fā)生光生電動(dòng)勢1929年邁斯納觀測到硫化銅在低溫下變得比純銅導(dǎo)電性好1883年弗立茲制成一個(gè)實(shí)用硒整流器1911年梅里特制成了硅整流器，用于無線檢波（銅礦石也可以）1926年前后，鍺被用于整流，同時(shí)，光電池成為商品。第九頁，共五十五頁，2022年，8月28日晶體管謎底從1830年開始逐步揭開1830年布拉菲（A.Bravais）提出假設(shè)：一些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是按照某種規(guī)則在空間上周期而無限分布的。這種物質(zhì)稱為晶體。1926年量子力學(xué)誕生。1931年，威爾遜（A．H．Wilson）建立了固態(tài)半導(dǎo)體量子力學(xué)模型理論。晶體管就是上面的現(xiàn)象放到固體物理學(xué)中研究的成果。第十頁，共五十五頁，2022年，8月28日晶體管1945年夏，貝爾實(shí)驗(yàn)室成立7人的固體物理研究小組。組長：蕭克萊1947年11月，蕭克萊、巴丁、布萊登實(shí)驗(yàn)1947年12月16日布萊登的的第一個(gè)點(diǎn)接觸晶體管1947年12月23日制作成語音放大器——晶體管誕生日第十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日晶體管NNP第十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日晶體管1955年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一臺(tái)全晶體管計(jì)算機(jī)TRADIC。在晶體管發(fā)明中的貢獻(xiàn)，使蕭克萊、布萊登和巴丁榮獲了1956年諾貝爾物理獎(jiǎng)。第十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日蕭克萊半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室1945年12月因?yàn)閰⒓影l(fā)明第一個(gè)晶體管發(fā)明的蕭克萊一舉名揚(yáng)天下。1955年，他離開貝爾實(shí)驗(yàn)室返回故鄉(xiāng)圣克拉拉，創(chuàng)建“蕭克萊半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室”。這位“晶體管之父”大旗一樹，應(yīng)者云集，諾依斯（N.Noyce）、摩爾（R.Moore）、布蘭克（J.Blank）、克萊爾（E.Kliner）、赫爾尼（J.Hoerni）、拉斯特（J.Last）、羅伯茨（S.Boberts）和格里尼克（V.Grinich）8位英才（見圖3.27）都聚到了他的麾下。第十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日“TheTraitorousEight”與Fairchild（直譯為“仙童”）1956年“TheTraitorousEight”（“八叛逆”）離開蕭克萊，得到名為Fairchild（直譯為“仙童”）攝影器材公司老板謝爾曼·費(fèi)爾柴爾德（S.Fairchild）提供的3600美元的種子基金和150萬美元的財(cái)力支持，創(chuàng)辦了一個(gè)企業(yè)——仙童半導(dǎo)體公司。第十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日“TheTraitorousEight”第十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日1958年1月，仙童得到了IBM公司的一張訂單，訂購100個(gè)硅晶體管20世紀(jì)60年代初是仙童半導(dǎo)體公司發(fā)展的黃金時(shí)期。但是，從1965年開始，公司銷售額開始滑坡。人們相繼離開仙童第十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日仙童培養(yǎng)起來的公司1967年，赫爾尼、羅伯茨和克萊爾首先負(fù)氣出走，成立了阿內(nèi)爾科公司。接著，一度擔(dān)任過仙童半導(dǎo)體公司總經(jīng)理接著查爾斯·斯波克（C.Sporck）來到國民半導(dǎo)體公司（NSC）擔(dān)任CEO。格拉斯也帶著幾個(gè)人脫離仙童創(chuàng)辦西格奈蒂克斯半導(dǎo)體公司。1968年，“八叛逆”中的最后兩位諾依斯和摩爾，也帶著葛羅夫（A.Grove）脫離仙童公司創(chuàng)辦了大名鼎鼎的英特爾（Intel）。1969年，杰里·桑德斯（J.Sanders）帶著7位仙童員工創(chuàng)辦高級(jí)微型儀器公司（AMD）。第十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日集成電路把多個(gè)元器件制作在一塊半導(dǎo)體晶體上所形成的電路，就稱為集成電路（scaleintegration,SI）。第十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日多個(gè)元器件在印刷電路板第二十頁，共五十五頁，2022年，8月28日集成電路1958年9月，杰克-S-基爾比（JackKilby）成功地在一塊不超過4平方毫米的鍺片上，集成了20余個(gè)元件（晶體管、電阻和電容）。第二十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日集成電路諾依斯使用平面工藝方法，即藉著蒸鍍金屬、微影、蝕刻等方式，解決了集成電路中不同元件間導(dǎo)線連結(jié)的問題。第二十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日集成電路1961年集成電路開始用于計(jì)算機(jī)（德克薩斯儀器公司與美國空軍合作）幾款有代表性的CPU芯片4004(1971.1)P2(1997.5)Athlon64(2003.9)AMDK-6(1997.4)Opteron(2003.4)酷睿?2四核(2007.1)第二十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日30多年間計(jì)算機(jī)CPU集成度的發(fā)展?fàn)顩r（1）年份處理器型號(hào)（廠家）時(shí)鐘頻率（MHz）集成度（晶體管數(shù)/片）線寬（μm）19714004（Intel）2,30018738080（Intel）4,80019788086（Intel）3/5/8/1029,000419806800(Motorola)568,0003198280286(Intel)6/8/10/12.5134,000198680386(Intel)16275,0001.5198980486(Intel)33~501,200,0001199380586(Intel)60~663,100,00011994Pentium(Intel)75~1203,300,0000.61997K6(AMD)166~3008,800,0000.351997(5)PII(Intel)2336~3007,500,0000.351998(4)K6-2(AMD)350~4009,300,0000.25第二十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日30多年間計(jì)算機(jī)CPU集成度的發(fā)展?fàn)顩r（2）年份處理器型號(hào)（廠家）時(shí)鐘頻率（MHz）集成度（晶體管數(shù)/片）線寬（μm）1999(2)PIII(Intel)600~10009,500,0000.251999(2)K6-3(AMD)21,300,0000.251999(6)K7(AMD)750~100022,300,0000.25~0.181999(10)PIII-Coppermine(Intel)1,40028,100,0000.182002(1)P4(Intel)1,300~2,20055,000,0000.132003(3)迅馳(Intel)2,40077,000,0000.132005(5)PD(雙核)230,000,0000.092006(7)Intel?安騰?2雙核290,000,0000.0652007(1)Intel?酷睿?2四核580,000,0000.0652007（1）0.045第二十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日課堂討論1.分析表3.1可以發(fā)現(xiàn)一些什么規(guī)律？第二十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日摩爾定律3.2.1摩爾的預(yù)言3.2.2摩爾定律的終結(jié)第二十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日摩爾的預(yù)言微電子業(yè)發(fā)展最有影響的人物之一——戈登·摩爾(GordonMoore)于1965年發(fā)現(xiàn)的在集成電路業(yè)界靈驗(yàn)了近40多年的規(guī)律。第二十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日摩爾的預(yù)言芯片上集成的晶體管數(shù)量將每18個(gè)月翻一番。第二十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日3.2.2微電子技術(shù)發(fā)展的瓶頸摩爾定律神奇地靈驗(yàn)了半個(gè)世紀(jì)，對此連摩爾自己也驚訝不已。因?yàn)槟柖商岢鰰r(shí)，集成電路問世才6年，摩爾的實(shí)驗(yàn)室也只能將50只晶體管和電阻集成在一個(gè)芯片上。如今，一個(gè)芯片上已經(jīng)密植了近十億個(gè)器件。對此。不斷有人置疑：這種狀況能一直持續(xù)下去嗎？對此，摩爾本人也無不憂慮。早在1993年，就在Intel公司剛開始大規(guī)模采用0.50微米芯片制造工藝之時(shí)，摩爾就在一次科技大會(huì)上發(fā)表了一篇名為《指數(shù)級(jí)增長定律的終結(jié)》的講話，預(yù)言當(dāng)芯片制造工藝達(dá)到0.25微米級(jí)別的時(shí)候，摩爾定律將遇到難以克服的技術(shù)和成本問題。第三十頁，共五十五頁，2022年，8月28日1.材料瓶頸隨著集成電路集成度的提高，芯片中晶體管的尺寸會(huì)越來越小，這就對制作集成電路的半導(dǎo)體單晶硅材料的純度要求也越來越高。哪怕是極其微小的缺陷或雜質(zhì)，都有可能使集成電路中的某個(gè)或數(shù)個(gè)晶體管遭到破壞，最終導(dǎo)致整個(gè)集成電路的失敗。同時(shí)，集成電路集成度的提高還會(huì)引發(fā)另一個(gè)十分棘手的問題。隨著集成塊上晶體管器件之間絕緣厚度的減小，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長（大約小到5個(gè)原子的厚度）時(shí)，由于量子隧道效應(yīng)電子將會(huì)穿過絕緣層，使器件無法正常工作。第三十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日2.光刻瓶頸集成電路加工過程中，光刻是核心。其主要作用是將掩膜板上的圖形復(fù)制到襯底表面的光刻膠圖形上，以便進(jìn)行硅片的刻蝕，為離子注入工序做好準(zhǔn)備。光刻成本占據(jù)了整個(gè)制造成本的35％，一般的光刻工藝流程包括前處理、勻膠、前烘、對準(zhǔn)曝光、顯影、后烘。;縮小晶體管的尺寸和線寬的基本方法在于改進(jìn)光刻技術(shù)，把刻蝕在硅片上的晶體管做得更小、連接晶體管的導(dǎo)線做得更細(xì)。而在光刻加工技術(shù)中，最小線寬的加工取決于所選用的光波的波長(光刻的光斑直徑等于半波長)。目前，光刻中使用的光源是深紫外光，所以現(xiàn)行的光刻技術(shù)也被稱為深紫外光光刻技術(shù)。但是，即使使用較短波長的ArF準(zhǔn)分子激光光源，其光刻精度仍然無法達(dá)到小于0.1微米。也就是說，當(dāng)集成電路最小線寬的要求小于0.1微米時(shí)，現(xiàn)行的光刻技術(shù)將無能為力而面臨著失敗。

第三十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日3.互連瓶頸當(dāng)集成電路進(jìn)入超大規(guī)模階段后，器件特征尺寸已經(jīng)進(jìn)入深亞微米階段，金屬互連在整個(gè)集成電路芯片中所占的面積越來越大，金屬互連問題也就自然成了集成電路進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。要想進(jìn)一步提高芯片的集成度，就要減少金屬連線寬度，增加連線層數(shù)。而連線寬度減小不僅會(huì)引起連線電阻增加，電路互連延遲時(shí)間增大，而且還會(huì)導(dǎo)致電流密度增加，引起電遷移和應(yīng)力遷移，嚴(yán)重影響電路的可靠性。傳統(tǒng)的芯片采用的是鋁連線。但鋁互連線已經(jīng)不能滿足超大規(guī)模集成電路進(jìn)一步發(fā)展的需要。目前，銅互連技術(shù)正迅速走向?qū)嵱?。與鋁相比，銅具有電阻率低（室溫）、抗電遷移和應(yīng)力遷移特性好等優(yōu)點(diǎn)。第三十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日4.能耗和散熱瓶頸隨著集成電路芯片中晶體管數(shù)量大幅度增多，芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量也同樣在大幅度增加，芯片的散熱問題已經(jīng)成為當(dāng)今超大規(guī)模集成電路進(jìn)一步發(fā)展的嚴(yán)重障礙，降低器件的能耗和解決芯片的散熱也已成為微電子學(xué)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)主要技術(shù)瓶頸。特別是，隨著芯片工作頻率的不斷提高，其發(fā)熱量也急劇上升。有人估計(jì)。當(dāng)微處理器速度達(dá)到30~100吉赫時(shí)，運(yùn)算次數(shù)則達(dá)到10000億次/秒，這時(shí)高速運(yùn)行的微處理器芯片的發(fā)熱量將幾乎與核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量或太陽表面的熱量不相上下。第三十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日然而，限制微處理器的能耗并非易事。為使芯片能耗降低，就要在材料性能和晶體管結(jié)構(gòu)上進(jìn)行大量的改進(jìn)。例如:，美國IBM公司首倡的以銅代鋁技術(shù)，即芯片中采用銅線代替原先的鋁線連接技術(shù)，由于銅比鋁導(dǎo)電性更好，可以提高器件間的傳輸速率，降低連線的電阻，在提高芯片性能的同時(shí)，也能夠在一定程度上降低芯片的發(fā)熱量。另外，開發(fā)雙內(nèi)核微處理器，開發(fā)向微處理器的部分區(qū)域輸送少量電流的小型能量來源，以及尋找能夠代替或使硅的性能得到進(jìn)一步增強(qiáng)的新型化合物等，也有一定的效果。第三十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日課堂討論1.摩爾定律會(huì)終結(jié)嗎？你從什么角度看這個(gè)問題？第三十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日未來信息技術(shù)器件3.3.1超導(dǎo)器件3.3.2量子器件3.3.3光子器件3.3.4納米電子器件3.3.5生物器件第三十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日超導(dǎo)器件超導(dǎo)現(xiàn)象與超導(dǎo)體超導(dǎo)現(xiàn)象是金屬、合金和化合物在溫度低于某一臨界溫度Tc時(shí)，電阻徒然降為零的現(xiàn)象。具有這種特性的物體稱為超導(dǎo)體。超導(dǎo)約瑟夫遜效應(yīng)第三十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日超導(dǎo)計(jì)算機(jī)約瑟夫遜器件的二態(tài)性可以用來表示0和1，應(yīng)用于新型的超導(dǎo)電子計(jì)算機(jī)的硬件中。第三十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日量子器件量子信息單元量子存儲(chǔ)承載16個(gè)量子位的硅芯片第四十頁，共五十五頁，2022年，8月28日量子器件量子計(jì)算量子計(jì)算機(jī)可以節(jié)省大量的運(yùn)算資源（如時(shí)間、記憶單元等）。量子的基本邏輯運(yùn)算有NOT，COPY，AND3種。量子通信量子通信采用量子隱形傳態(tài)的方法進(jìn)行。

第四十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日量子計(jì)算機(jī)首先，量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行量子并行計(jì)算。其次，量子計(jì)算機(jī)用量子位存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。再次，量子計(jì)算機(jī)具有與大腦類似的容錯(cuò)性。量子計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)第四十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日光子器件光子器件是一種由光信號(hào)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型器件。它由激光器、光學(xué)反射鏡、透鏡、濾波器等光學(xué)元件和設(shè)備構(gòu)成，靠激光束進(jìn)入反射鏡和透鏡組成的陣列進(jìn)行信息處理。它是超并行、高容錯(cuò)、超高速、高帶寬、強(qiáng)抗干擾計(jì)算機(jī)的理想技術(shù)。第四十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日納米電子器件納米（nm）本來是一個(gè)長度單位，1nm=10^-9m。在這個(gè)尺度上基礎(chǔ)物理結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出奇異特性——介觀（mesoscopic）世界。納米電子器件是指器件的工作原理基于量子效應(yīng)；具有相類似的典型的器件結(jié)構(gòu)——隧穿勢壘包圍“島”（或勢阱）的結(jié)構(gòu)。納米電子器件可分兩大類：一是固體納米電子器件；二是分子電子器件。第四十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日生物器件生物器件，即脫氧核糖核酸（DNA）分子器件，主要是生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子組成的生物芯片，通過控制DNA分子間的生化反應(yīng)來完成運(yùn)算。生物器件特點(diǎn)：體積小，密度高，速度快，能耗低，可以自我修復(fù)。一些生物芯片：如合成蛋白芯片、血紅素芯片、賴氨酸芯片等。第四十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日生物計(jì)算機(jī)2002年，奧林巴斯開發(fā)成功借助DNA之間的化學(xué)反應(yīng)分析遺傳基因的生物計(jì)算機(jī)。2002年，以色列維茨曼科學(xué)研究所開發(fā)出一種由DNA和生物酶分子制成的可運(yùn)行程序的分子計(jì)算機(jī)。奧林巴斯開發(fā)的生物-電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)第四十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日課堂討論1.你認(rèn)為還有可以使用哪些技術(shù)開發(fā)信息處理器件？第四十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日知識(shí)集錦3.4.1仙童和Intel3.4.2集成電路的規(guī)模第四十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日仙童蕭克萊半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室“TheTraitorousEight”（“八叛逆”）仙童(Fairchild)半導(dǎo)體公司第四十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日仙童1967年，赫爾尼、羅伯茨和克萊爾成立了阿內(nèi)爾科公司。接著，查爾斯·斯波克來到國民半導(dǎo)體公司（NSC）擔(dān)任CEO。格拉斯創(chuàng)辦西格奈蒂克斯半導(dǎo)體公司。1968年，諾依斯和摩爾創(chuàng)辦了大名鼎鼎的英特爾（Intel）。1969年，杰里·桑德斯創(chuàng)辦高級(jí)微型儀器公司（AMD）。第五十頁，共五十五頁，2022年，8月28日仙童仙童在20世紀(jì)6