帶你一文讀懂芯片 復旦微電子學院副院長閆娜演講實錄

澎湃新聞記者 張靜

復旦大學微電子學院副院長閆娜教授科普集成電路技術的發展歷史、現狀，以及未來趨勢。

從1904年英國電氣工程師發明人類歷史上第一隻電子管，到1946年美國貝爾實驗室發明鍺晶體管，再到1971年英特爾發明了世界上第一塊集成了2000多個晶體管的大規模集成電路，如今一顆蘋果M1 Max芯片基於台積電5納米工藝集成了570億個晶體管，集成電路技術是人類智慧結晶最典型的代表。

在復旦大學管理學院與復旦大學微電子學院日前聯合主辦的“瞰見對話科創人物系列論壇”上，復旦大學微電子學院副院長、教授、博士生導師閆娜科普了集成電路技術的發展歷史、現狀，以及未來趨勢。

閆娜表示，過去20年，在由政府主導的大規模投入下，集成電路產業已形成由設計、工藝、封測、設備、材料等眾多環節組成的較為完整的產業鏈。未來中國仍需繼續加大集成電路產業的研發投入和人才培養力度，實現核心技術突破，推動集成電路實現跨越式發展。

以下由澎湃科技根據閆娜的上述演講實錄整理，帶你一文讀懂芯片的過去、現在、未來。

從電子管、晶體管到超大規模集成電路

所謂芯片，便是以集成電路為核心的電子技術，它是伴隨著電子元器件小型化、微型化的發展而興起。

1904年，英國電氣工程師弗萊明·約翰·安布羅斯發明了人類歷史上第一隻電子管，即真空二極管。兩年後，美國人德夫勒斯特又發明了第一個能夠放大電信號的電子器件，也就是真空三極管。

電子管尤其是真空三極管的發明和應用拉開了現代電子學的序幕，在電子技術史上具有劃時代的意義，這一發明堪稱過去100年來改變世界的重大發明之一，為我們開啟了電子時代的大門。

接下來就是晶體管的發明，1946年，美國貝爾實驗室開始研究半導體。由肖克利、巴丁跟布拉頓組成的研究小組研製出了一個點接觸型的鍺晶體管，也可以理解為轉換電阻，並因此共同獲得了1956年的諾貝爾物理學獎，為集成電路的發展奠定了堅實基礎。

基於鍺晶體管的發明，美國德州儀器公司青年工程師傑克·基爾比於1958年成功發明了全世界第一塊鍺集成電路，他也因為這一發明獲得了2000年諾貝爾物理學獎。

此後50年多來，集成電路的集成度飛速發展。

以CPU芯片為例，1971年，英特爾發明了世界上第一塊大規模集成電路，集成了2000多個晶體管，型號是4004CPU；30年後，英特爾在2002年發明的奔騰4處理器採用0.13微米的工藝，集成了5500萬個晶體管；2012年，英特爾發布了集成14億個晶體管的處理器CPU，採用22納米工藝；2022年，蘋果發布的M1 Utra芯片集成了1140億個晶體管，這顆芯片由兩顆芯片採用一定封裝形式拼接而成。同時，英特爾也宣布，它的超級計算機芯片將擁有超過1000億個晶體管。

人類最聰明的大腦就是一個先進的存儲器，但除了大腦，我們還需要額外的存儲介質。早期是印刷術，之後是光盤、磁盤，再到U盤、硬盤。早期32兆、64兆的U盤已經非常先進，現在可以看到32G、64G甚至更大的U盤存儲器以及固態硬盤。

存儲器芯片方面，1967年，知名半導體專家施敏博士在貝爾實驗室發明了浮柵晶體管，這個浮柵晶體管逐步成為了閃存芯片的主流器件，並且創造了今天數百億美元的閃存芯片市場。可以說，存儲器芯片是份額最大的集成電路產品。基於閃存芯片30T容量的便攜式硬盤，可以儲存1000多萬冊書籍，相當於用一個硬盤可以隨身攜帶一個大型圖書館。

總的來說，集成電路朝著速度更快、功耗更低發展，追求更高效地處理數據，存儲量也更大。

衡量集成電路工藝水平的四大指標

實際上，集成電路的工作速度主要取決於晶體管的特徵尺寸。晶體管的特徵尺寸越小，該工藝所能夠接受的極限工作頻率越高，開關速度也越快，相同面積的晶片所能容納的晶體管數目也就越多。也就是說，集成度越高，功能越強大。

摩爾定律是大家耳熟能詳的一個定律，於1965年，集成電路剛剛發展了6年後，由戈登·摩爾提出。戈登·摩爾對當時各個公司芯片產品大量調研後，大膽提出了一個預測：集成電路上可容納晶體管數目大約18-24個月就會增加一倍，性能也將提升一倍。雖然現在發展時間有所增加，有可能需要30個月甚至更長，但集成電路的發展趨勢目前大體仍然按照摩爾定律在進行。

描述集成電路工藝水平，有四個指標：

第一是特徵尺寸，也就是人們經常說的集成電路工藝可以到28納米、14納米、7納米、5納米等。器件的特徵尺寸從早期的微米級發展到現在的納米級。一顆蘋果M1 Max芯片，基於台積電5納米工藝集成了570億個晶體管。頭髮絲的橫截面積大概8000平方微米，假設採用10納米工藝，在這樣一根頭髮絲的截面上可以製作出50萬個晶體管，可見晶體管的尺寸有多小。

第二個是晶圓直徑，也就是矽片尺寸。早期的矽片尺寸有4英寸、6英寸，現在是8英寸，主流的先進工藝則是12英寸。晶圓尺寸越來越大，每一個晶圓上能夠製造的集成電路芯片數量也越多，芯片成本就會大大降低。

第三個指標是DRAM（動態隨機存取內存）的容量，可以用每一個工藝DRAM的尺寸，它的柵間距、金屬間距等來評估工藝發展水平。

第四個指標是晶體管密度，英特爾曾建議以邏輯晶體管的密度作為指標，同時加入掃描觸發器、SRAM（靜態隨機存取存儲器）單元規模等來評估集成電路的工藝發展水平，而不再單單以特徵尺寸來評估，這就是晶體管密度的指標。

當摩爾定律發展到特徵尺寸不能再縮小時，怎樣提高集成電路的功能、性能、集成度？除了減少特徵尺寸、增大矽晶圓面積之外，還有一個方式是採用先進的封裝形式，比如2.5D封裝、3D封裝等。台積電的CoWoS封裝技術，以及Chiplet等技術，都是封裝技術上的突破。

集成電路產品種類及發展機遇

集成電路產品一般分為兩類，一種是模擬產品，一種是數字產品。

模擬產品可以劃分為光電器件、模擬器件、功率器件以及傳感器件等。其特點是非尺寸依賴，不依賴於先進工藝，不需要3納米、5納米的工藝製造，往往使用一些較大的特徵尺寸工藝就可以實現。模擬產品更多是工藝、器件、電路設計的反复迭代，電路對器件提出要求，器件又對工藝提出要求。

目前國內功率產業中，功率二極管是比較有競爭力的，矽基的MOSFET（金屬-氧化物半導體場效應晶體管）處於追趕階段，IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）則在高鐵上實現了較好應用；第三代半導體正處於積極佈局、快速發展的階段。

總的來說，我們應該積極打破模擬芯片產品設計/系統、器件/架構、工藝/整合的領域界限，以全產業鏈整合的IDM（集芯片設計、製造、封測等多個環節於一體）形式積極發展半導體產業。目前全球領先的模擬芯片產品企業英飛凌、德州儀器都以IDM形式存在。

根據應用途徑的不同，集成電路數字產品可分為三大類：處理器芯片、邏輯芯片和存儲器芯片。其中處理器芯片又可以根據不同應用分為桌面存儲、移動應用、圖形處理、智能處理、微控制器等；邏輯芯片可以分為FPGA、基帶處理芯片、網絡芯片、密碼安全芯片等；存儲器芯片根據不同的存儲器單元可以分為DRAM和Flash新型存儲器。

每一種數字產品有自己的技術發展趨勢。對於處理器芯片產品技術，隨著摩爾定律逐漸放緩，特徵尺寸的微縮接近極限，基於當前馮·諾依曼的處理器單核性能增長緩慢，新型計算架構、敏捷開發、異構計算、三維集成、光互聯技術是主要研究方向。從2023年到2035年，單核性能提升非常有限，需要突破馮·諾依曼結構，最終才能實現技術和指標的突破。

從邏輯芯片產品的技術發展趨勢來看，預計2020年到2035年，FPGA所使用的芯片工藝特徵尺寸可以從28納米下降到小於5納米，邏輯單元的數量也會逐年增加，存儲接口、存儲速度、接口速度有望從20Gbps提升到100Tbps。智能終端的SoC除了CPU核逐漸增加以外，存儲帶寬將逐步增加。從5G到6G應用，基帶芯片時延將越來越小，峰值數據率也越來越高。

對於存儲器芯片，到2025年有望追平國際先進閃存芯片水平，DRAM的差距也將縮小到一代以內。

綜上，集成電路數字產品目前面臨兩種機遇，一是技術驅動，二是需求驅動。所謂技術驅動，就是從計算架構來引領創新，包括三維集成、量子計算等。需求驅動是指現有的物聯網、自動駕駛、人工智能的發展對於集成電路數字產品產生了非常大的需求，不同需求會驅動產生不同形態的新的集成電路數字產品，推動集成電路產業發展。

責任編輯：吳躍偉

校對：劉威