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社会信息化的“引擎”(开卷知新)

最爱分享2022-05-14 10:273
  芯片和框架引线焊接。  新华社记者黄伟摄  集成电路生产现场。  郭俊锋摄(人民视觉)  信息时代,集成电路无处不在。大到航空航天
社会信息化的“引擎”(开卷知新)

  芯片和框架引线焊接。  新华社记者 黄 伟摄

社会信息化的“引擎”(开卷知新)

  集成电路生产现场。  郭俊锋摄(人民视觉)

  信息时代,集成电路无处不在。大到航空航天、高铁船舶,小到手机电脑、智能手表,集成电路都是关键“部件”。甚至传统农业工业,也正在通过集成电路实现信息化、智能化。集成电路技术改变着人类的生产方式和生活方式,成为社会信息化的“引擎”,兼具经济价值和战略意义。

  今天,集成电路关系到许多传统企业、新兴企业乃至行业的核心竞争力。比如在汽车领域,芯片在发动机控制系统(如点火、变速传动)、底盘控制系统(如转向、驻车)、智能驾驶系统(如摄像、雷达、驾驶员监控)、车身及舒适安全系统(如车门、灯光、座椅、气囊、空调、音响)、信息联网系统(如导航)等部分广泛应用,每部汽车约需要1000―2000块集成电路。普通乘用车中,汽车电子(包括集成电路和分立器件)成本占比已达40%,在纯电动汽车中更是达到65%以上。

  2020年,国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》,力推集成电路产业高质量发展。“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出:“瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。”这8个领域均与集成电路相关,也深刻说明集成电路的研发、生产和应用是一项关键而复杂的社会工程。可以说,集成电路已经成为引领新一轮科技革命和产业变革的关键技术。

  指甲盖大小的信息“航母”

  集成电路是通过在半导体基片上制作晶体管、电阻、电容和导线等,控制电子在固体中的运动,并封装在外壳内执行特定电路或系统功能的电子器件。人们由其形貌,给集成电路取了一个更形象的名字:芯片。

  手机、电脑、卫星、高铁、工业机器人中的集成电路类型千差万别,但都做着类似的事:信息的获取、存储、处理和传输。以集成电路与软件构成的信息中枢,已经融入当今人类生产生活的各个领域,成为构筑信息社会的基石。在抗击新冠肺炎疫情中,为更准确地进行流调,手机扫码成为生活中的常态,而手机的核心组件正是集成电路。

  集成电路的主要基底材料,是地球上除氧之外含量最丰富的元素――硅。人们常见的砂石中,就含有硅元素。一块黑褐色的硅石片,看上去不起眼,但经过人们的创新设计和加工制造,便成为集成电路。它将人类的智慧与创造固化在硅芯片上,使用价值巨大,可谓“点石成金”。自1958年集成电路发明以来,随着设计和制作技术不断进步,单一芯片上集成的晶体管数,就处理器而言呈每24个月增长一倍的趋势,这就是著名的“摩尔定律”。现在,集成电路已经可以在单一芯片上集成上百亿个晶体管。

  得益于集成电路,计算机技术突飞猛进。最初的电子管计算机,由约1.8万个电子管组成,占地150平方米,重30吨,耗电140千瓦,计算速度只有每秒几千次。如今,超级计算机计算速度可达每秒百亿亿次,并在生物医药、新材料研究、太空探索、基因测序、天气预报等领域发挥重要作用。在移动通信领域,得益于集成电路技术的快速进步,通信网络传输速率不断提高,第五代移动通信技术(5G)已经普遍应用。

  集成电路不仅解决了信息处理的问题,还解决了信息的存储、获取和传输问题。半导体存储器在移动设备中已经取代磁盘存储器,手机、U盘可以随时存储或读取大量文件;半导体传感器解决了光影、力、磁、化学、生物等自然信号转变为电信号的问题,例如采用图像芯片可随时随地拍摄照片或视频;以集成电路为内核的互联网,使信息传输变得方便快捷,无论是汽车导航、网购商品还是数字支付,都已进入人们的日常生活。在集成电路构成的信息终端之间,无论何时何地,都可以进行声音、文字、图像、视频等信息的交换。

  基础研究创新驱动的朝阳产业

  集成电路产业飞速发展靠的是创新驱动,比如从平面到三维的器件结构创新,从硅材料到化合物半导体、碳基材料的创新,从紫外线光刻到极紫外光刻设备的创新等等。这些创新万变不离其宗,无一不是来自数十年的基础研究成果积累。

  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。现在的集成度已达到一个指甲盖大小的芯片上,可以集成超过全世界人口数量(超70亿)的晶体管。每个晶体管都需要能源供给并散发热量,导致芯片能耗高,不利于广泛应用,比如手机出现发热问题。我们可以采用新原理、新材料、新工艺和新结构器件及其新型集成电路架构,降低单个晶体管的漏电流和电源电压,芯片静态功耗就会降低。对于更重要的动态功耗,不同集成电路功能不同,动态功耗各异,功耗降低以后可以再增加晶体管集成度,进一步提高性能。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。

  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。

  (作者为中国科学院院士、北京大学教授) 

  制图:赵