北大教授:后摩尔时代,集成电路技术的4个发展方向

日期:2022-05-19 来源:人民日报阅读:376
核心提示:近日,中国科学院院士、北京大学教授王阳元在人民日报撰文,题为:集成电路——社会信息化的“引擎”。
近日,中国科学院院士、北京大学教授王阳元在人民日报撰文,题为:集成电路——社会信息化的“引擎”。
 
王阳元教授在文章中指出,当前,集成电路已发展到“后摩尔时代”。不再仅以“每两年集成度提高一倍”为主要指标,而是以“降低功耗、提高性能功耗比”作为发展标尺。在“后摩尔时代”,集成电路技术有4个发展方向。
 
继续缩小尺寸
 
最初,集成电路加工尺寸为10微米,现在最先进的加工技术已达到10纳米以下。10微米是1纳米的1万倍,这相当于普通自行车车轮直径和一根头发丝直径的比例。加工尺寸越小,同样面积的硅片上就能容纳更多晶体管,从而处理更多信息;同时,加工尺寸越小,晶体管的栅长就越短,电信号在晶体管内以及晶体管之间的传输速度就越快。一般来说,加工尺寸为上一代工艺节点的0.7倍时,晶体管面积缩小50%,集成电路性能提升1倍。当集成电路进入2纳米技术代时,每平方毫米的硅片上可容纳3.3亿个晶体管。
 
将不同功能的芯片通过系统集成和三维封装等方式组合,以满足集成电路多功能应用需求。如将不同工艺、不同材料、不同功能的数字电路、存储电路、模拟电路、射频电路、高压电路、功率电路、驱动电路、传感器与执行器、生物芯片等封装在一起,形成一个多功能集成系统模块,进而组成一个全新的、完整的电子系统,以适应不同领域、不同场合的应用需求。这就相当于只用一个集成系统模块,就可以承担整个系统的功能,好比不同军种组合成一个集团军,以完成多样化任务。
 
器件结构革新
 
开发量子器件、单电子器件、石墨烯器件、仿生类脑器件等。
 
晶体管是集成电路的核心器件,最初的晶体管是双极型结构,后来金属氧化物半导体器件诞生,成为主流集成电路器件结构。现在,平面的金属氧化物半导体器件结构变为三维的鳍形栅结构,并正向环形栅方向发展。
 
每一次器件结构革新,都会带来集成电路技术重大进步。
 
量子器件和单电子器件是晶体管工作原理上的革新,石墨烯器件是晶体管材料的革新,仿生类脑器件则是模拟神经元人脑突触的器件。这种革新为集成电路的创新应用提供更多可能,如仿生类脑器件将为人工智能网络的应用插上翅膀。
 
与其他学科结合,产生多种集成微纳系统
 
集成电路与其他学科具有十分广泛的交叉性,而交叉点往往是创新点。国务院学位委员会批准设立“集成电路科学与工程”一级学科时,就将其列为交叉学科中的第一个学科。
 
集成电路与精密机械结合,诞生了微机电系统,例如硅陀螺,精度好、可靠性高,现已应用于汽车、飞机和船舶等,凡是需要导航的地方都可以应用;与生物学结合,诞生了可穿戴的、检测人们身体指标的各种芯片。
 
建立新形态信息技术科学和产业
 
这方面,手机的发展是典型案例。手机最初是通信范围有限的模拟式“大哥大”,之后是可以接打电话的数字式按键拨号手机,并有了汉字显示功能,屏幕由黑白转为彩色,触屏取代了实体按键,还进一步成为替代相机的随身工具。
 
随着网络通信技术发展,手机获取和传输文字、声音、图像的速度,已经能够“手到擒来”。一部手机,在集成电路技术推动下,从“电话”变成了人们必备的智能信息中心。与之相关的网络购物、网络直播等新形态信息产业正在形成,与此同时,以信件、邮票、邮递员为主的邮电产业也在适应变化、升级迭代。
 
未来,随着物理、化学、数学、生物学、计算机科学与软件等学科和相应技术的进步,集成电路将继续推动信息技术科学和产业创新发展,为人们工作生活带来更多便利和新的可能。
 
王阳元教授认为,未来,集成电路将在更多维度和更大空间发展起来,前景广阔,信息化社会和数字时代需要这样的“引擎”。世上无难事,只要肯登攀。相信这一朝阳产业将从多维度、多方面推动我国信息化和数字化发展。 
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