·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，推动集成电路产业发展。

复旦大学微电子学院副院长闫娜教授科普集成电路技术的发展历史、现状，以及未来趋势。从年英国电气工程师发明人类历史上第一只电子管，到年美国贝尔实验室发明锗晶体管，再到年英特尔发明了世界上第一块集成了多个晶体管的大规模集成电路，如今一颗苹果M1Max芯片基于台积电5纳米工艺集成了亿个晶体管，集成电路技术是人类智慧结晶最典型的代表。在复旦大学管理学院与复旦大学微电子学院日前联合主办的“瞰见对话科创人物系列论坛”上，复旦大学微电子学院副院长、教授、博士生导师闫娜科普了集成电路技术的发展历史、现状，以及未来趋势。

闫娜表示，过去20年，在由政府主导的大规模投入下，集成电路产业已形成由设计、工艺、封测、设备、材料等众多环节组成的较为完整的产业链。未来中国仍需继续加大集成电路产业的研发投入和人才培养力度，实现核心技术突破，推动集成电路实现跨越式发展。

以下由澎湃科技根据闫娜的上述演讲实录整理，带你一文读懂芯片的过去、现在、未来。

从电子管、晶体管到超大规模集成电路

所谓芯片，便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。

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，这一发明堪称过去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。

接下来就是晶体管的发明，年，美国贝尔实验室开始研究半导体。由肖克利、巴丁跟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，也可以理解为转换电阻，并因此共同获得了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年诺贝尔物理学奖。

此后50年多来，集成电路的集成度飞速发展。

以CPU芯片为例，年，英特尔发明了世界上第一块大规模集成电路，集成了多个晶体管，型号是CPU；30年后，英特尔在年发明的奔腾4处理器采用0.13微米的工艺，集成了万个晶体管；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；年，苹果发布的M1Utra芯片集成了亿个晶体管，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0亿个晶体管。

人类最聪明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，之后是光盘、磁盘，再到U盘、硬盘。早期32兆、64兆的U盘已经非常先进，现在可以看到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，年，知名半导体专家施敏博士在贝尔实验室发明了浮栅晶体管，这个浮栅晶体管逐步成为了闪存芯片的主流器件，并且创造了今天数百亿美元的闪存芯片市场。可以说，存储器芯片是份额最大的集成电路产品。基于闪存芯片30T容量的便携式硬盘，可以储存0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

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，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。也就是说，集成度越高，功能越强大。

摩尔定律是大家耳熟能详的一个定律，于年，集成电路刚刚发展了6年后，由戈登·摩尔提出。戈登·摩尔对当时各个公司芯片产品大量调研后，大胆提出了一个预测：集成电路上可容纳晶体管数目大约18-24个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。虽然现在发展时间有所增加，有可能需要30个月甚至更长，但集成电路的发展趋势目前大体仍然按照摩尔定律在进行。

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。一颗苹果M1Max芯片，基于台积电5纳米工艺集成了亿个晶体管。头发丝的横截面积大概平方微米，假设采用10纳米工艺，在这样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，主流的先进工艺则是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，英特尔曾建议以逻辑晶体管的密度作为指标，同时加入扫描触发器、SRAM（静态随机存取存储器）单元规模等来评估集成电路的工艺发展水平，而不再单单以特征尺寸来评估，这就是晶体管密度的指标。

当摩尔定律发展到特征尺寸不能再缩小时，怎样提高集成电路的功能、性能、集成度？除了减少特征尺寸、增大硅晶圆面积之外，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。

集成电路产品种类及发展机遇

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。

模拟产品可以划分为光电器件、模拟器件、功率器件以及传感器件等。其特点是非尺寸依赖，不依赖于先进工艺，不需要3纳米、5纳米的工艺制造，往往使用一些较大的特征尺寸工艺就可以实现。模拟产品更多是工艺、器件、电路设计的反复迭代，电路对器件提出要求，器件又对工艺提出要求。

目前国内功率产业中，功率二极管是比较有竞争力的，硅基的MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）处于追赶阶段，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）则在高铁上实现了较好应用；第三代半导体正处于积极布局、快速发展的阶段。

总的来说，我们应该积极打破模拟芯片产品设计/系统、器件/架构、工艺/整合的领域界限，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。

根据应用途径的不同，集成电路数字产品可分为三大类：处理器芯片、逻辑芯片和存储器芯片。其中处理器芯片又可以根据不同应用分为桌面存储、移动应用、图形处理、智能处理、微控制器等；逻辑芯片可以分为FPGA、基带处理芯片、网络芯片、密码安全芯片等；存储器芯片根据不同的存储器单元可以分为DRAM和Flash新型存储器。

每一种数字产品有自己的技术发展趋势。对于处理器芯片产品技术，随着摩尔定律逐渐放缓，特征尺寸的微缩接近极限，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、光互联技术是主要研究方向。从年到年，单核性能提升非常有限，需要突破冯·诺依曼结构，最终才能实现技术和指标的突破。

从逻辑芯片产品的技术发展趋势来看，预计年到年，FPGA所使用的芯片工艺特征尺寸可以从28纳米下降到小于5纳米，逻辑单元的数量也会逐年增加，存储接口、存储速度、接口速度有望从20Gbps提升到Tbps。智能终端的SoC除了CPU核逐渐增加以外，存储带宽将逐步增加。从5G到6G应用，基带芯片时延将越来越小，峰值数据率也越来越高。

对于存储器芯片，到年有望追平国际先进闪存芯片水平，DRAM的差距也将缩小到一代以内。

综上，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，推动集成电路产业发展。

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