芯片和框架引線焊接。 　　新華社記者 黃 偉攝

　　今天，集成電路關(guān)系到許多傳統(tǒng)企業(yè)、新興企業(yè)乃至行業(yè)的核心競爭力。比如在汽車領(lǐng)域，芯片在發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)（如點火、變速傳動）、底盤控制系統(tǒng)（如轉(zhuǎn)向、駐車）、智能駕駛系統(tǒng)（如攝像、雷達(dá)、駕駛員監(jiān)控）、車身及舒適安全系統(tǒng)（如車門、燈光、座椅、氣囊、空調(diào)、音響）、信息聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（如導(dǎo)航）等部分廣泛應(yīng)用，每部汽車約需要1000—2000塊集成電路。普通乘用車中，汽車電子（包括集成電路和分立器件）成本占比已達(dá)40%，在純電動汽車中更是達(dá)到65%以上�！　⌒畔�時代，集成電路無處不在。大到航空航天、高鐵船舶，小到手機(jī)電腦、智能手表，集成電路都是關(guān)鍵“部件”。甚至傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)工業(yè)，也正在通過集成電路實現(xiàn)信息化、智能化。集成電路技術(shù)改變著人類的生產(chǎn)方式和生活方式，成為社會信息化的“引擎”，兼具經(jīng)濟(jì)價值和戰(zhàn)略意義。

　　2020年，國務(wù)院印發(fā)《新時期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》，力推集成電路產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展�！笆�四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要提出：“瞄準(zhǔn)人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學(xué)、生物育種、空天科技、深地深海等前沿領(lǐng)域，實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項目。”這8個領(lǐng)域均與集成電路相關(guān)，也深刻說明集成電路的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用是一項關(guān)鍵而復(fù)雜的社會工程。可以說，集成電路已經(jīng)成為引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵技術(shù)。

　　指甲蓋大小的信息“航母”

　　集成電路是通過在半導(dǎo)體基片上制作晶體管、電阻、電容和導(dǎo)線等，控制電子在固體中的運動，并封裝在外殼內(nèi)執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能的電子器件。人們由其形貌，給集成電路取了一個更形象的名字：芯片。

　　手機(jī)、電腦、衛(wèi)星、高鐵、工業(yè)機(jī)器人中的集成電路類型千差萬別，但都做著類似的事：信息的獲取、存儲、處理和傳輸。以集成電路與軟件構(gòu)成的信息中樞，已經(jīng)融入當(dāng)今人類生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，成為構(gòu)筑信息社會的基石。在抗擊新冠肺炎疫情中，為更準(zhǔn)確地進(jìn)行流調(diào)，手機(jī)掃碼成為生活中的常態(tài)，而手機(jī)的核心組件正是集成電路。

　　集成電路的主要基底材料，是地球上除氧之外含量最豐富的元素——硅。人們常見的砂石中，就含有硅元素。一塊黑褐色的硅石片，看上去不起眼，但經(jīng)過人們的創(chuàng)新設(shè)計和加工制造，便成為集成電路。它將人類的智慧與創(chuàng)造固化在硅芯片上，使用價值巨大，可謂“點石成金”。自1958年集成電路發(fā)明以來，隨著設(shè)計和制作技術(shù)不斷進(jìn)步，單一芯片上集成的晶體管數(shù)，就處理器而言呈每24個月增長一倍的趨勢，這就是著名的“摩爾定律”�，F(xiàn)在，集成電路已經(jīng)可以在單一芯片上集成上百億個晶體管。

　　得益于集成電路，計算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)。最初的電子管計算機(jī)，由約1.8萬個電子管組成，占地150平方米，重30噸，耗電140千瓦，計算速度只有每秒幾千次。如今，超級計算機(jī)計算速度可達(dá)每秒百億億次，并在生物醫(yī)藥、新材料研究、太空探索、基因測序、天氣預(yù)報等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。在移動通信領(lǐng)域，得益于集成電路技術(shù)的快速進(jìn)步，通信網(wǎng)絡(luò)傳輸速率不斷提高，第五代移動通信技術(shù)（5G）已經(jīng)普遍應(yīng)用。

　　集成電路不僅解決了信息處理的問題，還解決了信息的存儲、獲取和傳輸問題。半導(dǎo)體存儲器在移動設(shè)備中已經(jīng)取代磁盤存儲器，手機(jī)、U盤可以隨時存儲或讀取大量文件；半導(dǎo)體傳感器解決了光影、力、磁、化學(xué)、生物等自然信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膯栴}，例如采用圖像芯片可隨時隨地拍攝照片或視頻；以集成電路為內(nèi)核的互聯(lián)網(wǎng)，使信息傳輸變得方便快捷，無論是汽車導(dǎo)航、網(wǎng)購商品還是數(shù)字支付，都已進(jìn)入人們的日常生活。在集成電路構(gòu)成的信息終端之間，無論何時何地，都可以進(jìn)行聲音、文字、圖像、視頻等信息的交換。

　　基礎(chǔ)研究創(chuàng)新驅(qū)動的朝陽產(chǎn)業(yè)

　　集成電路產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展靠的是創(chuàng)新驅(qū)動，比如從平面到三維的器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，從硅材料到化合物半導(dǎo)體、碳基材料的創(chuàng)新，從紫外線光刻到極紫外光刻設(shè)備的創(chuàng)新等等。這些創(chuàng)新萬變不離其宗，無一不是來自數(shù)十年的基礎(chǔ)研究成果積累。

　　當(dāng)前，集成電路已發(fā)展到“后摩爾時代”。不再僅以“每兩年集成度提高一倍”為主要指標(biāo)，而是以“降低功耗、提高性能功耗比”作為發(fā)展標(biāo)尺�，F(xiàn)在的集成度已達(dá)到一個指甲蓋大小的芯片上，可以集成超過全世界人口數(shù)量（超70億）的晶體管。每個晶體管都需要能源供給并散發(fā)熱量，導(dǎo)致芯片能耗高，不利于廣泛應(yīng)用，比如手機(jī)出現(xiàn)發(fā)熱問題。我們可以采用新原理、新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)器件及其新型集成電路架構(gòu)，降低單個晶體管的漏電流和電源電壓，芯片靜態(tài)功耗就會降低。對于更重要的動態(tài)功耗，不同集成電路功能不同，動態(tài)功耗各異，功耗降低以后可以再增加晶體管集成度，進(jìn)一步提高性能。在“后摩爾時代”，集成電路技術(shù)有4個發(fā)展方向。

　　繼續(xù)縮小尺寸。最初，集成電路加工尺寸為10微米，現(xiàn)在最先進(jìn)的加工技術(shù)已達(dá)到10納米以下。10微米是1納米的1萬倍，這相當(dāng)于普通自行車車輪直徑和一根頭發(fā)絲直徑的比例。加工尺寸越小，同樣面積的硅片上就能容納更多晶體管，從而處理更多信息；同時，加工尺寸越小，晶體管的柵長就越短，電信號在晶體管內(nèi)以及晶體管之間的傳輸速度就越快。一般來說，加工尺寸為上一代工藝節(jié)點的0.7倍時，晶體管面積縮小50%，集成電路性能提升1倍。當(dāng)集成電路進(jìn)入2納米技術(shù)代時，每平方毫米的硅片上可容納3.3億個晶體管。

　　將不同功能的芯片通過系統(tǒng)集成和三維封裝等方式組合，以滿足集成電路多功能應(yīng)用需求。如將不同工藝、不同材料、不同功能的數(shù)字電路、存儲電路、模擬電路、射頻電路、高壓電路、功率電路、驅(qū)動電路、傳感器與執(zhí)行器、生物芯片等封裝在一起，形成一個多功能集成系統(tǒng)模塊，進(jìn)而組成一個全新的、完整的電子系統(tǒng)，以適應(yīng)不同領(lǐng)域、不同場合的應(yīng)用需求。這就相當(dāng)于只用一個集成系統(tǒng)模塊，就可以承擔(dān)整個系統(tǒng)的功能，好比不同軍種組合成一個集團(tuán)軍，以完成多樣化任務(wù)。

　　器件結(jié)構(gòu)革新。開發(fā)量子器件、單電子器件、石墨烯器件、仿生類腦器件等。晶體管是集成電路的核心器件，最初的晶體管是雙極型結(jié)構(gòu)，后來金屬氧化物半導(dǎo)體器件誕生，成為主流集成電路器件結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在，平面的金屬氧化物半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)變?yōu)槿�維的鰭形柵結(jié)構(gòu)，并正向環(huán)形柵方向發(fā)展。每一次器件結(jié)構(gòu)革新，都會帶來集成電路技術(shù)重大進(jìn)步。量子器件和單電子器件是晶體管工作原理上的革新，石墨烯器件是晶體管材料的革新，仿生類腦器件則是模擬神經(jīng)元人腦突觸的器件。這種革新為集成電路的創(chuàng)新應(yīng)用提供更多可能，如仿生類腦器件將為人工智能網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用插上翅膀。

　　與其他學(xué)科結(jié)合，產(chǎn)生多種集成微納系統(tǒng)。集成電路與其他學(xué)科具有十分廣泛的交叉性，而交叉點往往是創(chuàng)新點。國務(wù)院學(xué)位委員會批準(zhǔn)設(shè)立“集成電路科學(xué)與工程”一級學(xué)科時，就將其列為交叉學(xué)科中的第一個學(xué)科。集成電路與精密機(jī)械結(jié)合，誕生了微機(jī)電系統(tǒng)，例如硅陀螺，精度好、可靠性高，現(xiàn)已應(yīng)用于汽車、飛機(jī)和船舶等，凡是需要導(dǎo)航的地方都可以應(yīng)用；與生物學(xué)結(jié)合，誕生了可穿戴的、檢測人們身體指標(biāo)的各種芯片。

　　建立新形態(tài)信息技術(shù)科學(xué)和產(chǎn)業(yè)。這方面，手機(jī)的發(fā)展是典型案例。手機(jī)最初是通信范圍有限的模擬式“大哥大”，之后是可以接打電話的數(shù)字式按鍵撥號手機(jī)，并有了漢字顯示功能，屏幕由黑白轉(zhuǎn)為彩色，觸屏取代了實體按鍵，還進(jìn)一步成為替代相機(jī)的隨身工具。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展，手機(jī)獲取和傳輸文字、聲音、圖像的速度，已經(jīng)能夠“手到擒來”。一部手機(jī)，在集成電路技術(shù)推動下，從“電話”變成了人們必備的智能信息中心。與之相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)購物、網(wǎng)絡(luò)直播等新形態(tài)信息產(chǎn)業(yè)正在形成，與此同時，以信件、郵票、郵遞員為主的郵電產(chǎn)業(yè)也在適應(yīng)變化、升級迭代。未來，隨著物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、計算機(jī)科學(xué)與軟件等學(xué)科和相應(yīng)技術(shù)的進(jìn)步，集成電路將繼續(xù)推動信息技術(shù)科學(xué)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，為人們工作生活帶來更多便利和新的可能。

　　未來，集成電路將在更多維度和更大空間發(fā)展起來，前景廣闊，信息化社會和數(shù)字時代需要這樣的“引擎”。世上無難事，只要肯登攀。相信這一朝陽產(chǎn)業(yè)將從多維度、多方面推動我國信息化和數(shù)字化發(fā)展。

　　（作者為中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)教授） 

　　制圖：趙偲汝 

　　

　　推薦讀物：

　　《集成電路產(chǎn)業(yè)全書》：王陽元主編；電子工業(yè)出版社出版。

　　《“后摩爾時代”微納電子學(xué)》：中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委員會編；科學(xué)出版社出版。

　　《微電子學(xué)概論（第三版）》：張興、黃如、劉曉彥編著；北京大學(xué)出版社出版。

　　《 人民日報 》（ 2022年05月13日 20 版）

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