芯片制造技術(shù)的基礎性作用

　　芯片是知識社會(huì )的技術(shù)要素，對編程的和不編程的電子產(chǎn)品都起著(zhù)基礎性的作用。因為只有芯片技術(shù)的不斷更新，才會(huì )使電子產(chǎn)品變得更小、更冷、更快和更經(jīng)濟智能，成為無(wú)處不在的產(chǎn)品。

　　更小的基礎性作用

　　電子產(chǎn)品的變小是其嵌入式應用的客觀(guān)需要，不如此，一些重大任務(wù)就不能完成。集成電路又叫做芯片(chip)，是美國人基爾比于1958年發(fā)明的。剛開(kāi)始時(shí)的中小規模集成電路，因為用起來(lái)比晶體管還貴，沒(méi)有得到民用的支持。由于重大的彈載計算機小型化的任務(wù)要求，只有這些芯片才能滿(mǎn)足，于是，芯片第一次是用在美國的導彈上的。我國的芯片技術(shù)也是在“兩彈一星”的重大任務(wù)牽引下起步的。

　　芯片技術(shù)的不斷變小主要體現在晶體管及其集成技術(shù)的更新上，有一次集成技術(shù)和二次集成技術(shù)。一次集成技術(shù)是按照摩爾預言，通過(guò)不斷縮小芯片的特征尺寸而提高集成度，使電子產(chǎn)品不斷變小，更好地滿(mǎn)足應用要求的。例如，嵌入到人體內的心臟起搏器(pacemaker)，現在已經(jīng)變得只有一個(gè)硬幣大小了。隨著(zhù)芯片集成度的不斷上升，很多毫米級的小小芯片本身就是一個(gè)電子產(chǎn)品。更有意思的是，雖然鈔票已有50多種防偽特征，但現在還要借助芯片制造技術(shù)，研究電子化紙幣來(lái)防偽;為此，德國人和日本人組成的小組，研究出了厚度不到250nm的有機薄膜晶體管，大約100個(gè)這樣的晶體管就組成了傳統紙幣的防偽電路;有了這種電路，還便于用來(lái)追查紙幣的行蹤[1-2]。

　　更冷的基礎性作用

　　更冷是指電子產(chǎn)品的功耗越低越好。因為功耗高到一定程度時(shí)，就會(huì )成為不斷提高芯片集成度而使電子產(chǎn)品變小的障礙，所以，更冷也是嵌入式應用的需要。例如，心臟起搏器的功耗現在已低到不用只有10年壽命的電池方式供電了。因此，降低電子產(chǎn)品的功耗成了芯片制造技術(shù)更新的焦點(diǎn)。目前有降低動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗的技術(shù)。

　　當靜態(tài)功耗可以忽略不計的時(shí)候，因為動(dòng)態(tài)功耗與芯片的工作電壓的平方和工作頻率都是成正比的，通過(guò)降低工作電壓和門(mén)控時(shí)鐘設計，或者是在滿(mǎn)足應用要求的前提下降低工作頻率，就可以降低整個(gè)芯片的功耗的。

　　當芯片的特征尺寸小到65nm及以下的時(shí)候，靜態(tài)功耗的比重就越來(lái)越大。而現在的晶體管是按電子學(xué)原理工作的，無(wú)法防止漏電，仍然需要研究新的晶體管制造技術(shù)和水冷技術(shù)。據說(shuō)，日本物質(zhì)材料研究機構和東京大學(xué)共同開(kāi)發(fā)了一種新的晶體管架構，不是依靠電子移動(dòng)，而是通過(guò)銅原子離子化實(shí)現移動(dòng)的，電消耗僅為現在晶體管的百萬(wàn)分之一[3]。

　　又據說(shuō)，IBM已有了一種新式的水冷技術(shù)，水管小到不及一根頭發(fā)絲的厚度，可用在疊層的芯片之間給芯片降溫;未來(lái)10年到15年內可將龐然大物的超級計算機縮小至一塊方糖大小。IBM水冷技術(shù)尚難解決的主要問(wèn)題是芯片的疊層之間除了必須具備導線(xiàn)的功能外，還必須能夠防水[4]。

　　現在的超級計算機，受功耗太大的限制，體積不能變小和性能也難以上升，不能用到移動(dòng)性電子產(chǎn)品的嵌入式計算中。但人們估計，隨著(zhù)芯片制造技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)的超級計算機也將向兩極分化，一極是數據中心的極大規模的超級計算機，另一極是移動(dòng)物體(手機、汽車(chē)、飛機和衛星等)的極小規模的超級計算機。例如，為了實(shí)現便攜式電子產(chǎn)品的超級計算機，美國陸軍研究室提出了非對稱(chēng)核計算(Asymmetric Core Computing)概念[5]。

　　更快的基礎性作用

　　計算機有高性能計算、嵌入式計算以及網(wǎng)絡(luò )化計算等三種應用模式，無(wú)論哪一種計算都是越快越好。芯片制造技術(shù)是通過(guò)提高芯片內的運算速度和芯片間的傳輸速度，來(lái)使這些計算越來(lái)越快的。

　　為了提高運算速度，芯片的特征尺寸就越小越好。但當芯片的特征尺寸小到65nm再往下小的時(shí)候，線(xiàn)的延遲與門(mén)的延遲比較起來(lái)就越來(lái)越大，出現了所謂的“長(cháng)線(xiàn)” 問(wèn)題。為了解決長(cháng)線(xiàn)問(wèn)題，IBM、Intel與Samsung等公司開(kāi)發(fā)了傳輸距離能縮短1000倍的硅直通( TSV，Through-silicon-Via)二次集成技術(shù)，而且芯片之間的連線(xiàn)數目可以增加100倍，也可用來(lái)解決超級計算機的所謂“存儲器墻”問(wèn)題。二次集成制造技術(shù)不僅能為深亞微米的電子產(chǎn)品進(jìn)一步變小提供新的技術(shù)基礎; 而且在多種特征尺寸的芯片條件下，二次集成的TSV技術(shù)都可以通過(guò)增加芯片的疊層，使各種電子產(chǎn)品，特別是嵌入式計算機不斷變小。例如，美國休斯公司早在二十世紀八十年代就開(kāi)發(fā)了TSV技術(shù)，成功研制了用于航空航天圖像處理的具有1024～16384個(gè)簡(jiǎn)單處理器的多種MPP(大規模并行處理)計算機，體積小到只有手掌的大小。