电子信息类专业导论（第3版）教案 第7讲 集成电路v20 修改

第7讲集成电路：信息产业基石【注释】“集成电路”与“信息存储”总结2次课程4学时，由于“集成电路”内容较多，需要120分钟（45分/学时），“信息存储”安排60分钟。一、教学内容主要讲授以下内容：晶体之火：晶体管诞生集成电路：发明和发展集成电路：制造与工艺集成电路：分类与设计集成电路：产业链演化二、教学目标由于集成电路内容非常多，这里选择部分内容知识层面了解集成电路的发展历程以及我国在集成电路领域面临的挑战，学习晶体管诞生的时代背景和发明故事，集成电路从构想到实现、产业化以及快速发展的历程。同时介绍我国在集成电路领域近年来的快速发展以及面临的挑战。能力层面以布拉顿、巴丁、肖克利合作发明晶体管的故事为例，引导学生思考团队协作的作用。针对晶体管的发明体现出合作的价值，引导学生思考布拉顿、巴丁、肖克利3人的各自贡献和团队协作的作用，树立合作意识，培养团队协作能力。类似地，系统级芯片（SOC）中软硬件协同、集成电路产业生态等。从摩尔定律出发，引导学生思考终身学习的意义。从摩尔定律出发，指出企业要是跟不上摩尔定律的节奏，将遭受灭顶之灾，企业要生产发展，就要超越摩尔定律的步伐。进一步引导学生思考自身的职业生涯，唯有不断学习，拓宽视野，才能有立足之地。价值层面在国家中长期计划重大专项以及集成电路大基金资助下，我国集成电路产业及其基础研究获得新的发展机会，设计、制造、测试、封装、装备与材料都取得了巨大进步，例如刻蚀设备、集成电路设计、封装等，增强了发展的信心。但是光刻机、EDA等领域，依然面临严峻挑战，要有突破卡脖子技术的使命感。三、本讲概要首先回顾了电子管、晶体管、集成电路的诞生，器件的发明，由物理机理、材料和结构设计三者决定。基于爱迪生效应发明了电子管，由此开启了电子时代。发展到极致就是通用电子管计算机，迫切需要发明更小的器件。基于半导体物理，在肖克利、巴丁与布拉顿的共同努力下发明了晶体管。肖克利最先认识到晶体管的巨大潜力，称其为信息时代的“神经细胞”。1956年在硅谷创办肖克利实验室，点燃了硅谷的晶体之火。而仙童公司的成立，以及从这里走出了大量的人才。晶体管取代了电子管，但随着电路系统功能的增强，元件数量愈来愈多，工程师设计的电路累计需要几千米长的线路和数百万个焊点，设计与制造遇到了新挑战。基尔比与诺伊斯，分别发明了集成电路，并且在IBM360中获得了巨大成功。要描述集成电路的发展速度，就需要借助摩尔定律来描述。集成电路的制造，既有新器件结构与工艺的发展，也有工艺设备的重要贡献，如光刻机、刻蚀机等。伴随集成电路的发展，从集成制造商模式IDM，逐渐走向设计（Fabless）与制造（Foundry）分离模式，从手工设计走向电子设计自动化EDA。集成电路本身也从单一功能走向系统级芯片（SoC），从专用芯片（ASIC）扩展到可编程芯片（FPGA），由此发展出无芯片（Chipless）的靠出售IP的企业群。目前集成电路制造、设计、EDA工具、FPGA、IP等企业都在构筑自己的生态系统，确保自身的竞争力。四、教学重点与难点4.1晶体管和集成电路的发明布拉顿和巴丁制造出了世界上第一个晶体管，它标志着电子技术从电子管进入到晶体管时代迈出的第一步。晶体管的发明让那个时代的工程师和科学家们倍受鼓舞，电子设备的体积可以大大缩小，可靠性也将得到进一步提升。电路集成化的设想是在晶体管兴起后不久的1952年，由英国皇家雷达研究所科学家达默首次提出。他认为“可以把电子线路中的电阻、电容、晶体管，以及其他必要的分立元件，集中制作在一块半导体晶片上，构成一块具有特定功能的电路。这样一来，电子线路的体积就可以大大缩小，可靠性大幅度提升。”1958年杰克·基尔比来到德州仪器工作，按照美国国防部要求，从事电子设备小型化研究。经过近2个月的努力，1958年9月，集成在一块半英寸长、一把折叠刀那么宽的锗晶片上的相移振荡器终于完成，如图所示。这个振荡器所包含的4个元器件已不需要用金属导线相连，集成电路诞生了。4.2摩尔定律要想正确刻画集成电路产业的发展速度，就需要借助摩尔定律。1965年春天，戈登·摩尔在工作之余无意间发现：集成电路，它的集成度与时间的关系曲线呈现出很有规律的几何级增长。于是时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的他，应邀为《电子学》杂志35周年专刊写了一篇他一生中最为重要的文章—《让集成电路填满更多元件》。在文中，基于对4个数据点的趋势分析，他指出：集成电路上能被集成的晶体管的数目，将以每18个月翻一番的速度稳定增长，并将在数十年内保持这个趋势。集成电路的发展证实了摩尔的天才预测。1975年摩尔的朋友米德（电子设计自动化的先驱，加州理工学院名誉教授），称这一现象为“摩尔定律”。从摩尔定律引申到终身学习的意义：摩尔定律仿佛是悬在IT企业头上的一把达摩克利斯之剑，要是跟不上摩尔定律的节奏，企业将遭受灭顶之灾。进一步思考我们自身的职业生涯，唯有不断学习，拓宽视野，才能有立足之地。4.3摩尔定律与信息产业发展半个多世纪以来，新兴的电子信息产业把它奉为“第一定律”，企业的发展、规划和战略制定都要遵循它。在摩尔定律的指导下，英特尔不断地克服技术难关，进行技术创新来提高集成电路的集成度和性能，为整个产业带来了繁荣。同样，基于摩尔定律，罗斯·弗里曼大胆地提出了可编程逻辑器件FPGA，为集成电路设计产业提供了新的方向。再来看计算机的发展速度，1945年，第一台电子计算机ENIAC每秒可以进行5000次加减运算，而2019年英特尔、英伟达、AMD等GPU运算速度达到万亿次浮点运算，是ENIAC的2亿倍以上，体积和耗电量却不及其万分之一。摩尔定律指引下，50年内产生了8个数量级的进步，PC、互联网、云计算、智能手机、智能硬件的诞生与普及，微处理器嵌入到工业设备、汽车、家电等所有的设备中，甚至延伸到各种物品，形成万物智能、万物互联的物联网。摩尔定律主导着电子信息产业的发展，身处其中的科技公司必须全力以赴投入研发，追赶行业发展的速度。4.4集成电路工艺制造集成电路制造，简单地说，经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的晶体管、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊接封装在一个管壳内的电子器件，形成集成电路产品。互补金属氧化物CMOS的发明与大规模应用。延续摩尔定律的途径—新材料：登纳德缩放定律，工艺节点到90nm阶段，沿用已有材料与结构，遇到了严重挑战。后续的65nm、45nm、32nm、28nm工艺节点，CMOS器件的设计中需要寻找新的材料。延续摩尔定律的途径—新结构：由华裔胡正明发明，鳍式场效应晶体管（FinField-effecttransistor，FinFET），是一种立体的场效应晶体管，属于多栅极晶体管，Fin在构造上与鱼鳍非常相似，所以称为“鳍式”。4.5系统级芯片系统级芯片（SystemonChip，SoC），起源于20世纪90年代中期，随着集成电路技术的持续发展，可以将整个电子系统集成在一个芯片上。SoC作为系统级集成电路，它可在单一芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能，它将数字电路、存储器、MPU、MCU、DSP、A/D、D/A以及各种外围配置等集成在一块芯片上，从而实现一个完整的系统功能。SoC的设计与制造涉及深亚微米技术、特殊电路的工艺兼容技术、设计方法的研究、嵌入式IP核（IntellectualProperty）设计技术、测试策略和可测性技术以及软硬件协同设计技术和安全保密技术。SoC以IP复用为基础，把已经优化并验证过的子系统、甚至系统级模块纳入新的系统设计之中。采用片内可编程技术，使得SoC内硬件的功能可以像软件一样通过编程来配置，从而可以实时地进行灵活而方便的更改和开发，甚至可以在系统运行过程中不停机地进行再配置，使相同的硬件可以按不同时段实现不同的功能，提高了系统的效率。这种全新的系统设计概念，使新一代的SoC具有较强的灵活性和适应性。它不仅使电子系统的设计和开发以及产品性能的改进和扩充变得十分简易和方便，而且使电子系统具有更好的性能、更低的功耗、更小的体积和更低的成本，带来了电子系统设计与应用的革命性新变革，可广泛应用于移动电话、硬盘驱动器、个人数字助理和手持电子产品、消费性电子产品等。随着系统级芯片SoC与可编程芯片FPGA的发展，在集成电路设计领域，又出现了无芯片Chipless模式，也即仅仅出售半导体IP核，并不销售芯片的企业，如ARM和Imagination等公司。随着集成电路的规模越来越大、设计越来越复杂，设计者的主要任务是在规定的时间周期内完成复杂的设计。调用IP核能避免重复劳动，大大减轻工程师的负担，因此基于SoC的芯片设计企业购买IP核是一个发展趋势，IP核的重用大大缩短了产品上市时间，如华为麒麟如华为麒麟997070，购买寒武纪公司的AIAI核，成功地获得商业先机；苹果智能处理器A10，选用Imagination的GPU核。4.6工艺和装备光刻机，也称掩膜对准曝光机、曝光系统、光刻系统等，由紫外光源、光学镜片、对准系统等部件组装而成。在芯片加工过程中，光刻机投射光束，穿过印着图案的掩膜及光学镜片，将电路图案曝光在带有光感涂层的硅片上，通过蚀刻曝光的部分形成凹槽图案，再进行沉积、蚀刻、掺杂，形成集成电路。一套EUV光刻系统包含10万个零件，4万个螺栓，重量达到180吨。ASML所独家拥有的EUV光刻机，使得半导体行业可以进行10nm以下制程研发与生产。这是制约我国集成电路制造能力的卡脖子技术。等离子体刻蚀机是芯片制造环节的一种关键设备，它是在芯片上进行微观雕刻，刻出又细又深的接触孔或者线条，每个线条和深孔的加工精度是头发丝直径的几千分之一到上万分之一。我国的中微半导体公司已经跻身国际先进行列，在我国集成电路装备领域发展最好的。4.7集成电路产业链演化集成电路产业为适应技术的发展和市场的需求，其产业结构经历了三次变革。第一次变革是加工制造为主导的集成电路产业发展的初级阶段；第二次变革体现为以制造加工为主的代工型公司与专注芯片设计的集成电路设计公司协同发展；第三次变革则出现“四业分离”的集成电路产业，即形成了设计、制造、封装与测试业独立运营的局面。而近年来，设计领域出现了专注IP模块的企业的等。五、教学思路与进程5.1课程教学设计思路本科一年级学生对于电子信息工程专业的认知不足，也缺乏相应的知识基础。而且由于刚经历高中大量的考试，难免会带有应试的思维。然而，这正是为专业发展打基础、强根本的雏形时期，应最大程度上激发学生的好奇心、学习兴趣和科研潜力。因此，在教学过程中不能简单的说教，而是通过以历史的脉络串联起故事，并在讲述故事的过程中将道理蕴含其中，注重培养思维，进而达到趣味性与专业性和系统性的相统一。本节课故事很多，包括电子管的发明、仙童公司、基尔比、诺伊斯与集成电路发明、登纳德缩放定律、罗斯·弗里曼与FPGA、张忠谋与台积电、张汝京与中芯国际、ASML与光刻机、林本坚与浸润式微影技术、尹志尧与中微半导体、卓以和与分子束外延、华大九天与EDA、华为海思等。下面以3个课程重点为例介绍教学设计，具体描述如下：通过晶体管的发明故事，帮助学生了解晶体管的历史信息。讲述晶体之火的故事，在课后思考题中，针对晶体管的发明体现出合作的价值，引导学生思考布拉顿、巴丁、肖克利3人的各自贡献和团队协作的作用，树立合作意识，培养团队协作能力。在课后的思考题中，推荐学生阅读《晶体之火》，从应用需求与相关技术基础两个方面，请同学们分析晶体管诞生的必然性。从集成电路的诞生背景、达默构想、正式诞生、专利之争、摩尔定律几个部分展开介绍，使学生了解集成电路的发明和发展过程。本节重点放在摩尔定律的讲述，指出企业要是跟不上摩尔定律的节奏，将遭受灭顶之灾。在课后思考题中，从应用需求与相关技术基础两个方面，请同学们分析集成电路诞生的必然性。请你分析摩尔定律对IT产业，如FPGA、智能手机的影响，假如摩尔定律还有30年，那么你应该如何规划你的职业生涯？让学生认识到唯有不断学习，拓宽视野，才能有立足之地，向学生传达终身学习的必要性。通过对集成电路制造工艺的发展历程及各种工艺的特点进行初步的介绍。让学生进一步了解集成电路，介绍集成电路的设计工具和设计流程，以及ASIC与FPGA、SoC、人工智能。介绍ARMRISC体系及集成电路的封装技术、测试系统和产业生态。从介绍