复旦大学微电子学院闫娜教授：芯片到底是什么

复旦大学微电子学院副院长闫娜教授日前在复旦大学管理学院与复旦大学微电子学院联合主办的“瞰见对话科创人物系列论坛”上，介绍了集成电路技术的发展历史、现状以及未来趋势。以下是演讲主要内容。

『从电子管、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，它是伴随着电子元器件小型化、微型化的发展而兴起的。

1904年，英国电气工程师弗莱明·约翰·安布罗斯发明了人类历史上第一只电子管，即真空二极管。两年后，美国人德夫勒斯特又发明了第一个能够放大电信号的电子器件，也就是真空三极管。

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。这一发明成为过去100年来改变世界的重大发明之一，为我们开启了电子时代的大门。

1946年，美国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研制出了一个点接触型的锗晶体管，并因此共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖，为集成电路的发展奠定了坚实基础。

基于锗晶体管的发明，美国德州仪器公司青年工程师杰克·基尔比于1958年成功发明了全世界第一块锗集成电路，他也因为这一发明获得了2000年诺贝尔物理学奖。

此后50多年来，集成电路的集成度飞速发展。以CPU芯片为例，1971年，英特尔发明了世界上第一块大规模集成电路，集成了2000多个晶体管；2002年，英特尔发明的奔腾4处理器采用0.13微米的工艺，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22纳米工艺；2022年，苹果发布的M1 Ultra芯片集成了1140亿个晶体管，这颗芯片由两颗芯片采用一定封装形式拼接而成。同时，英特尔也宣布，它的超级计算机芯片将拥有超过1000亿个晶体管。

人类的大脑就是一个先进的存储器，但除了大脑，我们还需要额外的存储介质。早期是印刷术，之后是磁盘、光盘，再到硬盘、U盘。一开始是32兆、64兆的U盘，现在已经有了32G、64G甚至更大的U盘存储器以及固态硬盘。存储器芯片方面，基于闪存芯片30T容量的便携式硬盘，可以储存1000多万册书籍，相当于用一个硬盘可以随身携带一个大型图书馆。

总的来说，集成电路朝着速度更快、功耗更低发展，追求更高效地处理数据，存储量也更大。

『衡量集成电路工艺水平的四大指标』

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，该工艺所能够接受的极限工作频率越高，开关速度也越快，相同面积的晶片所能容纳的晶体管数目也就越多。集成度越高，功能越强大。

描述集成电路工艺水平有四个指标：

第一是特征尺寸，也就是人们经常说的集成电路，工艺可以达到28纳米、14纳米、7纳米、5纳米等。头发丝的横截面积大概为8000平方微米，假设采用10纳米工艺，在一根头发丝的截面上可以制作出50万个晶体管，可见晶体管的尺寸有多小。

第二个是晶圆直径，也就是硅片尺寸。早期的硅片尺寸有4英寸、6英寸，现在是8英寸，主流的先进工艺是12英寸。晶圆尺寸越来越大，每一个晶圆上能够制造的集成电路芯片数量也越多，芯片成本就会大大降低。

第三个指标是DRAM（动态随机存取内存）的容量，可以用每一个工艺DRAM的尺寸，它的栅间距、金属间距等来评估工艺发展水平。

第四个指标是晶体管密度。

当特征尺寸不能再缩小时，怎样提高集成电路的性能、集成度？还有一个方式是采用先进的封装形式，比如2.5D封装、3D封装等。台积电的CoWoS封装技术以及Chiplet等技术，都是封装技术上的突破。

集成电路产品一般分为两类，一种是模拟产品，一种是数字产品。

就模拟产品而言，我们应该以全产业链整合的IDM（集芯片设计、制造、封测等多个环节于一体）形式积极发展半导体产业。目前全球领先的模拟芯片产品企业英飞凌、德州仪器都以IDM形式存在。

集成电路数字产品目前面临两种机遇，一是技术驱动，二是需求驱动。所谓技术驱动，就是从计算架构来引领创新，包括三维集成、量子计算等。需求驱动是指现有的物联网、自动驾驶、人工智能的发展对于集成电路数字产品产生了非常大的需求，不同需求会驱动产生不同形态的新的集成电路数字产品，推动集成电路产业的发展。