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全面解读集成电路产业链及相关技术

2017-07-04 01:53
人在旅途20
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本文从概念入手,从几个维度全面解读集成电路产业链和相关的一些技术介绍,务求让大家看完此文,对集成电路的一些基础的流程和技术有简单的了解:

集成电路:从发明到应用

集成电路(IC)是指经过特种电路设计,利用半导体加工工艺,集成于一小块半导体(如硅、锗等) 晶片上的一组微型电子电路。IC 被广泛应用之前,传统的分立电路多以导线连接独立的电路元件而构成。而集成电路相对于此,在体积上,单片集成电路可比同样功能的分立电路小数倍;结构上,IC 非常紧凑,可使多达数十亿的晶体管等元件存在于一个人类指甲大小的面积上。半导体优越的技术性能、半导体设备制造技术的飞速发展、集成电路高效率的大规模生产以及采用结构单元的电路设计方式,使标准化集成电路迅速取代了过去运用分立元件的传统电路设计。

IC 巨大的技术优势体现在两方面:成本与性能。芯片通过光刻技术被整体印制成独立单元,加上采用极少材料的封装技术——使成本得以大幅降低;微小的体积以及元件的紧密排布使信息切换速度极快并且产生更少的能耗——其工作性能亦十分卓越。

分立电路和集成电路产品

图1左侧是典型的前臵放大器分立电路,电路板面积12880平方毫米,晶体管数量62颗,右侧英特尔酷睿i7中央处理器,核心面积159.8平方毫米,晶体管数量约14.8亿颗。

如今集成电路已被广泛应用于所有电子设备,并推动了电子时代的到来,传媒、教育、娱乐、医疗、军工、通讯等各领域的发展均离不开性能卓越的集成电路设备。同时正因IC低成本、高性能的特质,才使得计算机、移动电话以及其他家用电子电器变为当今社会生活中不可或缺的组成部分。

(1)集成电路的发明与发展

1947年底第一块晶体管问世,同为主动元件,相对于真空管,晶体管具有体积小、能耗低,性能优越的特点,并且克服了真空管易碎的缺点,使其很快就成为了新兴产业。在实际运用中,由于晶体管需要逐一单个生产,由其构成的分立电路亦十分复杂且体积庞大,造成了大量使用上的不便,于是1952年英国人Dummer就提出集成电路的想法,取得突破的是德州仪器的Kilby在1958年基于锗晶体研制出世界第一块IC,但Kilby使用极细的金属丝作为连接线,这种情况下难以大规模生产IC,1959年初,仙童公司的Noyce用光刻技术在硅基质上制作金属铝连线,使得整个IC都可以用平面工艺制作,在此基础上工业大规模生产IC成为可能,两人也因此被认为是集成电路的共同发明者。

根据集成电路技术所实现的具体功能,集成电路主要可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。

模拟集成电路又称线性电路,用来产生、放大和处理各种模拟信号(幅度随时间变化),其输入信号和输出信号成比例关系,应用于各类模拟信号处理单元、放大器、滤波器、调制解调器等等。

数字集成电路则处理各种数字信号(在时间上和幅度上离散取值),应用领域十分广泛,如计算机CPU、内存、各类电器的微控制器等。

数/模混合集成电路在同一个电路系统中通过信号转换,结合了模电以及数电单元,以实现复杂的技术控制功能,基于该技术的SoC(系统级芯片)现已成为IC领域最具潜力的发展方向之一。

模拟、数字、数模混合电路代表产品

左图是模拟电路代表产品——运用模拟信号传输技术的无线电通讯雷达站,中图是数字电路代表产品——实现超高速数字运算功能的国产超级计算机, 右图是SoC(系统级芯片)示意图。

由于数字集成电路具有数字运算、逻辑处理的功用,该技术被广泛应用于现代集成电路芯片制造领域。其中, CMOS数字集成电路现已成为构建特种运算、逻辑、控制电路的主流技术。

从时间角度划分,在技术发展的早期,简单的集成电路受技术规模的局限,单个芯片往往只能承载数个晶体管。过低的电路集成度同时意味着芯片设计过程十分简单、制造产量极低。伴随着科技的进步,数十亿的晶体管得以被臵于一块芯片之上。良好的电路设计要求周密的线路规划,这使得新型的电路设计方法同样实现了飞速的发展。

不同时间段芯片集成度

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