四寸等于多少厘米(蛋糕4寸6寸对比实物)

本报记者张静

复旦大学微电子学院副院长阎娜教授科普集成电路技术的历史、现状和未来趋势。

从1904年英国电气工程师发明人类历史上第一个电子管，到1946年贝尔实验室发明锗晶体管，再到1971年英特尔发明世界上第一个超过2000个晶体管的大规模集成电路，到今天一个苹果M1 Max芯片集成了基于TSMC 5nm工艺的570亿个晶体管，集成电路技术是人类智慧结晶的最典型代表。

复旦大学微电子学院副院长、教授、博士生导师阎娜·科普在复旦大学管理学院和复旦大学微电子学院联合主办的“对话与科技创造系列论坛”上，探讨了集成电路技术的发展历史、现状和未来趋势。

阎娜说，近20年来，在政府主导的大规模投资下，集成电路产业已经形成了由设计、工艺、封装测试、设备、材料等诸多环节组成的较为完整的产业链。未来，中国仍需继续加大R&D在集成电路产业的投入和人才培养，实现核心技术的突破，推动集成电路的跨越式发展。

以下内容由编译澎湃技术根据阎娜的上述讲话记录，它将向你展示芯片的过去、现在和未来。

从电子管和晶体管到超大规模集成电路

所谓芯片，就是以集成电路为核心的电子技术，是随着电子元器件的小型化而兴起的。

1904年，英国电气工程师弗莱明·约翰·安布罗斯(Fleming John Ambrose)发明了人类历史上第一支电子管，即真空二极管。两年后，美国人德弗勒·阿斯特发明了第一个能够放大电信号的电子器件，即真空三极管。

特别是电子管，尤其是真空三极管的发明和应用，拉开了现代电子学的序幕，在电子技术史上具有划时代的意义。这项发明可以称得上是近百年来改变世界的重大发明之一，为我们打开了电子时代的大门。

接下来是晶体管的发明。1946年，贝尔实验室开始研究半导体。由肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组开发了一种点接触锗晶体管，也可以理解为开关电阻。因此，他们获得了1956年的诺贝尔物理学奖，为集成电路的发展奠定了坚实的基础。

基于锗晶体管的发明，美国德州仪器公司的年轻工程师杰克·基尔比于1958年成功发明了世界上第一个锗集成电路。他也因此发明获得了2000年的诺贝尔物理学奖。

此后，集成电路的集成化发展迅速，持续了50多年。

以CPU芯片为例。1971年，英特尔发明了世界上第一个大规模集成电路，集成了2000多个晶体管，型号为4004CPU；30年后，2002年英特尔发明的奔腾4处理器采用0.13微米工艺，集成了5500万个晶体管；2012年，英特尔发布了集成14亿个晶体管的处理器CPU，采用22nm工艺；2022年，苹果发布的M1 Utra芯片集成了1140亿个晶体管。这个芯片是由两个芯片以一定的封装形式拼接而成。同时，英特尔还宣布其超级计算机芯片将拥有超过1000亿个晶体管。

人类最聪明的大脑是高级记忆，但除了大脑，我们还需要额外的存储介质。早期是打印，后来是光盘、磁盘，再后来是u盘、硬盘。早期的32兆和64兆的u盘已经很先进了，现在你可以看到32千兆、64千兆甚至更大的u盘和固态硬盘。

至于存储芯片，1967年，著名的半导体专家石民博士在贝尔实验室发明了浮栅晶体管。这种浮栅晶体管逐渐成为闪存芯片的主流器件，并创造了今天数百亿美元的闪存芯片市场。可以说，存储芯片是集成电路产品中份额最大的。一个基于闪存芯片的30T容量的便携式硬盘，可以存储1000多万本书，相当于一个硬盘承载一个大型图书馆。

总的来说，集成电路正朝着更高的速度、更低的功耗、更高效的数据处理和更大的存储容量的方向发展。

衡量集成电路技术水平的四个指标

实际上，集成电路的工作速度主要取决于晶体管的特征尺寸。晶体管的特征尺寸越小，工艺的可接受极限工作频率越高，开关速度越快，在相同面积的晶片中可以容纳的晶体管数量越多。换句话说，集成度越高，功能越强大。

摩尔定律是一个众所周知的定律，它是由戈登·摩尔在1965年提出的，当时集成电路刚刚发展了6年。在对当时各个公司的芯片产品进行大量研究后，戈登·摩尔大胆地提出了一个预测:集成电路上可以容纳的晶体管数量将在18-24个月左右翻一番，性能也将翻一番。虽然开发时间增加了，可能需要30个月甚至更长时间，但是集成电路的发展趋势总体上还是符合摩尔定律的。

描述集成电路技术的水平，有四个指标:

首先是特征尺寸，也就是人们常说的集成电路工艺可以达到28纳米、14纳米、7纳米、5纳米等。器件的特征尺寸从早期的微米级发展到现在的纳米级。苹果M1 Max芯片，基于TSMC的5纳米工艺集成了570亿个晶体管。头发的横截面积约为8000平方微米。假设采用10纳米工艺，这样一根头发的横截面上可以做50万个晶体管。可见晶体管的尺寸有多小。

第二个是晶圆的直径，也就是硅片的大小。早期硅片尺寸有4寸和6寸，现在是8寸，而主流先进技术是12寸。晶圆的尺寸越来越大，每个晶圆上可以制造的集成电路芯片数量也越来越多，所以芯片成本会大大降低。

第三个指标是DRAM(动态随机存取存储器)的容量。每个工艺DRAM的大小，其栅极间距和金属间距可以用来评价工艺发展水平。

第四个指标是晶体管密度。Intel曾建议以逻辑晶体管的密度作为指标，增加扫描触发器和SRAM(静态随机存取存储器)单元尺寸来评价集成电路的技术发展水平，而不是只评价特征尺寸。这是晶体管密度的指标。

摩尔定律发展到特征尺寸不能再缩小的地步，如何提高集成电路的功能、性能和集成度？除了缩小特征尺寸，增加硅片面积，还有一种方式就是采用先进的封装形式，比如2.5D封装，3D封装。台积电的CoWoS封装技术，以及Chiplet等技术，都是封装技术的突破。

集成电路产品的种类和发展机遇

集成电路产品一般分为两类，一类是模拟产品，一类是数字产品。

模拟产品可分为光电器件、模拟器件、功率器件和传感器器件。其特点是不依赖尺寸，不依赖于先进工艺，不需要3 nm和5 nm工艺，往往可以通过使用一些更大的特征尺寸工艺来实现。模拟产品更多的是工艺、器件、电路设计的迭代。电路需要器件，器件需要过程。

目前国内电力行业，功率二极管竞争激烈，硅基MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)处于追赶阶段，IGBT(绝缘栅双极晶体管)在高铁上取得了很好的应用。第三代半导体处于积极布局和快速发展阶段。

总的来说，要积极打破模拟芯片产品设计/系统、器件/架构、工艺/集成的界限，在行业整合中以IDM(集成芯片设计、制造、封装、测试)的形式积极发展半导体产业。目前全球领先的模拟芯片产品公司英飞凌、德州仪器都是以IDM的形式存在。

根据应用方式的不同，集成电路数字产品可以分为三大类:处理器芯片、逻辑芯片和存储芯片。其中，处理器芯片可分为桌面存储、移动应用、图形处理、智能处理、微控制器等。根据不同的应用；逻辑芯片可分为FPGA、基带处理芯片、网络芯片、密码安全芯片等。根据存储单元的不同，芯片可以分为DRAM和Flash。

每个数码产品都有自己的技术发展趋势。至于处理器芯片产品的技术，随着摩尔定律逐渐放缓，特征尺寸的缩小接近极限，基于当前冯诺依曼的处理器单核性能增长缓慢。新型计算架构、敏捷开发、异构计算、三维集成和光互连技术是主要研究方向。从2023年到2035年，单核性能提升非常有限。需要突破冯诺依曼结构，最后才能实现技术和指标的突破。

根据逻辑芯片产品的技术发展趋势，预计从2020年到2035年，FPGA使用的芯片工艺特征尺寸可以从28nm降低到5nm以下，逻辑单元的数量将逐年增加。存储接口、存储速度、接口速度有望从20Gbps提升到100Tbps。智能终端的SoC除了CPU核逐渐增加之外，其存储带宽也会逐渐增加。从5G到6G的应用，基带芯片的延迟会越来越小，峰值数据速率会越来越高。

至于存储芯片，预计到2025年赶上国际先进闪存芯片水平，DRAM的差距缩小到一代以内。

总结一下，集成电路数码产品目前面临两个机遇，一个是技术驱动，一个是需求驱动。所谓技术驱动，就是从计算架构上引领创新，包括三维集成、量子计算等等。需求是指现有的物联网、自动驾驶、人工智能的发展，对集成电路数码产品产生了很大的需求。不同的需求会以不同的形式驱动新的集成电路数字产品，推动集成电路产业的发展。

编辑:吴

校对:刘伟