芯片制造技術的基礎性作用

摘要：本文主要從芯片的變小、變冷、變快和變得更經濟智能方面，討論了芯片制造技術的基礎性作用，以及自主創新的重要性。

關鍵詞：芯片；有機薄膜晶體管；靜態功耗；長線問題：機器人

芯片是知識社會的技術要素，對編程的和不編程的電子產品都起著基礎性的作用。因為只有芯片技術的不斷更新，才會使電子產品變得更小、更冷、更快和更經濟智能，成為無處不在的產品。

更小的基礎性作用

電子產品的變小是其嵌入式應用的客觀需要，不如此，一些重大任務就不能完成。集成電路又叫做芯片(chip)，是美國人基爾比于1958年發明的。剛開始時的中小規模集成電路，因為用起來比晶體管還貴，沒有得到民用的支持。由于重大的彈載計算機小型化的任務要求，只有這些芯片才能滿足，于是，芯片第一次是用在美國的尉單上的。我國的芯片技術也是在“兩彈一星”的重大任務牽引下起步的。

芯片技術的不斷變小主要體現在晶體管及其集成技術的更新上，有一次集成技術和二次集成技術。一次集成技術是按照摩爾預言，通過不斷縮小芯片的特征尺寸而提高集成度，使電子產品不斷變小，更好地滿足應用要求的。例如，嵌入到人體內的心臟起搏器(pacemaker)，‘現在已經變得只有一個硬幣大小了。隨著芯片集成度的不斷上升，很多毫米級的小小芯片本身就是一個電子產品。更有意思的是，雖然鈔票已有50多種防偽特征，但現在還要借助芯片制造技術，研究電子化紙幣來防偽；為此，德國人和日本人組成的小組，研究出了厚度不到250nm的有機薄膜晶體管，大約100個這樣的晶體管就組成了傳統紙幣的防偽電路；有了這種電路，還便于用來追查紙幣的行蹤。

更冷的基礎性作用

更冷是指電子產品的功耗越低越好。因為功耗高到一定程度時，就會成為不斷提高芯片集成度而使電子產品變小的障礙，所以，更冷也是嵌入式用的需要。例如，心臟起搏器的功耗現在已低到不用只有10年壽命的電池方式供電了。因此，降低電子產品的功耗成了芯片制造技術更新的焦點。目前有降低動態功耗和靜態功耗的技術。

當靜態功耗可以忽略不計的時候。因為動態功耗與芯片的工作電壓的平方和工作頻率都是成正比的，通過降低工作電壓和門控時黻計，或者是在滿足應用要求的前提下降低工作頻率，就可以降低整個芯片的功耗的。

當芯片的特征尺寸小到65nm及以下的時候，靜態功耗的比重就越來越大。而現在的晶體管是按電子學原理工作的，無法防止漏電，仍然需要研究新的晶體管制造技術和水冷技術。據說，日本物質材料研究機構和東京大學共同開發了一種新的晶體管架構，不是依靠電子移動，而是通過銅原子離子化實現移動的，電消耗僅為現在晶體管的百萬分之一。

又據說，IBM已有了一種新式的水冷技術，水管小到不及一根頭發絲的厚度，可用在疊層的芯片之間給芯片降溫：未來10年到15年內可將龐然大物的超級計算機縮小至一塊方糖大小。IBM水冷技術尚難解決的主要問題是芯片的疊層之間除了必須具備導線的功能外，還必須能夠防水。

現在的超級計算機，受功耗太大的限制，體積不能變小和性能也難以上升，不能用到移動性電子產品的嵌入式計算中。但人們估計。隨著芯片制造技術的進步，未來的超級計算機也將向兩極分化，一極是數據中心的極大規模的超級計算機，另一極是移動物體(手機、汽車、飛機和衛星等)的極小規模的超級計算機。例如，為了實現便攜式電子產品的超級計算機，美國陸軍研究室提出了非對稱核計算(Asymmetric Core Computing)概念。

更快的基礎性作用

計算機有高性能計算、嵌入式計算以及網絡化計算等三種應用模式，無論哪一種計算都是越快越好。芯片制造技術是通過提高芯片內的運算速度和芯片間的傳輸速度，來使這些計算越來越快的。

為了提高運算速度，芯片的特征尺寸就越小越好。但當芯片的特征尺寸小到65nm再往下小的時候，線的延遲與門的延遲比較起來就越來越大，出現了所謂的“長線”問題。為了解決長線問題， IBM、Intel與Samsung等公司開發了傳輸距離能縮短1000倍的硅直通(TSV，Through-silicon-Via)二次集成技術，而且芯片之間的連線數目可以增加100倍，也可用來解決超級計算機的所謂“存儲器墻”問題。二次集成制造技術不僅能為深亞微米的電子產品進一步變小提供新的技術基礎；而且在多種特征尺寸的芯片條件下，二次集成的TSV技術都可以通過增加芯片的疊層，使各種電子產品，特別是嵌入式計算機不斷變小。例如，美國休斯公司早在二十世紀八十年代就開發了TSV技術，成功研制了用于航空航天圖像處理的具有1024～16384個簡單處理器的多種MPP(大規模并行處理)計算機，體積小到只有手掌的大小。

為了提高傳輸速度，從芯片制造技術上就是把傳輸介質從銅線變為光纖，用光束代替電子進行數據傳輸。Intel于2010年就已開發了這種硅光電技術。與銅纜相比，傳輸距離更長速度更快(50GBps)。IBM將采用CMOs集成硅納米光電(CISN)技術，于2011年研究出納米光電子芯片，有望比當今芯片的運算速度快1000倍。先用于連接系統，再發展到連接主板，最后發展到連接內核。更經濟智能的基礎性作用

芯片制造技術的傳奇式發展，使電子產品更經濟智能的基礎性作用在手機上體現得最充分了。手機的功能更多，有通信功能，也有照相功能，iPhone手機還有處理信用卡交易的功能等：使用更方便，有手控方式，也有感應式的自主計算方式等：更加入If生化，有按鍵也有觸摸等，總之，手機產品是越來越智能了。特別是系統芯片(SoC，System onChip)的問世，使手機的集成變得更簡單，出現了山寨機，手機產品也越來越經濟了。據初步統計，現在已有12億功能豐富的手機，實現了移動性電子產品的嵌入式計算和網絡化計算的理想結合，形成了無處不在的(ut，iquitous)計算；也就是說，手機等移動電子產品可借助網絡的通信能力，使每個人從直接與PC機進行交互的計算，轉向利用手機等移動設備來獲得看不到的多臺計算機為他／她服務的計算，使計算機退居“幕后”而更加經濟智能。工業分析機構IDC預測，在2011年，移動設備的銷量將超過計算機的銷量，計算機將成熟到用戶看不到的計算機的服務計算新階段。

電子產品很多就是看不到計算機的嵌入式應用，使機器成了機器人，形成了各種各樣的機器人產業。例如，針對網絡教學，韓國人研制了叫做Engkey機器人的“小學英語老師”；Engkey是一個大約1米高的蛋狀機器人，以顯示器上的一位高加索白人婦女的臉作為人類老師的替身形象。遠在異地的人類老師由遙控系統觀聽孩子們的表情，老師的面部表情由照相機探測并瞬時反映到替身形象的臉上；這樣一來，教學的交互是在人類老師的遙控下的，而教學的執行是由外表可愛的機器人完成的，比傳統的網絡教學變得更加有趣，更加經濟智能，孩子們甚至大人都很喜歡。由此看來，為了占市場，電子產品的應用選擇也是很有學問的。例如，晶體管剛問世時，發明者選擇了助聽器，而日本人則選擇了產業市場更大的半導體收音機。

自主創新

芯片制造技術是電子產品應用和設計的產業化基礎，是一種集材料、設備、工藝和管理等一起的多科學交叉的集成創新技術，所以，芯片又叫做集成電路。芯片產業化的歸宿是市場，很有市場價值的芯片制造技術是保密的，我國的芯片制造技術與國外的差距較大，只有靠自主創新縮小差距，才能使國產電子產品的市場份量越來越大。