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芯片制造技术的基础性作用

发布时间:2020-07-21 18:29:13 阅读: 来源:隧道防火涂料厂家

芯片是知识社会的技术要素,对编程的和不编程的电子产品都起着基础性的作用。因为只有芯片技术的不断更新,才会使电子产品变得更小、更冷、更快和更经济智能,成为无处不在的产品。

本文引用地址:更小的基础性作用

电子产品的变小是其嵌入式应用的客观需要,不如此,一些重大任务就不能完成。集成电路又叫做芯片(chip),是美国人基尔比于1958年发明的。刚开始时的中小规模集成电路,因为用起来比晶体管还贵,没有得到民用的支持。由于重大的弹载计算机小型化的任务要求,只有这些芯片才能满足,于是,芯片第一次是用在美国的导弹上的。我国的芯片技术也是在“两弹一星”的重大任务牵引下起步的。

芯片技术的不断变小主要体现在晶体管及其集成技术的更新上,有一次集成技术和二次集成技术。一次集成技术是按照摩尔预言,通过不断缩小芯片的特征尺寸而提高集成度,使电子产品不断变小,更好地满足应用要求的。例如,嵌入到人体内的心脏起搏器(pacemaker),现在已经变得只有一个硬币大小了。随着芯片集成度的不断上升,很多毫米级的小小芯片本身就是一个电子产品。更有意思的是,虽然钞票已有50多种防伪特征,但现在还要借助芯片制造技术,研究电子化纸币来防伪;为此,德国人和日本人组成的小组,研究出了厚度不到250nm的有机薄膜晶体管,大约100个这样的晶体管就组成了传统纸币的防伪电路;有了这种电路,还便于用来追查纸币的行踪[1-2]。

更冷的基础性作用

更冷是指电子产品的功耗越低越好。因为功耗高到一定程度时,就会成为不断提高芯片集成度而使电子产品变小的障碍,所以,更冷也是嵌入式应用的需要。例如,心脏起搏器的功耗现在已低到不用只有10年寿命的电池方式供电了。因此,降低电子产品的功耗成了芯片制造技术更新的焦点。目前有降低动态功耗和静态功耗的技术。

当静态功耗可以忽略不计的时候,因为动态功耗与芯片的工作电压的平方和工作频率都是成正比的,通过降低工作电压和门控时钟设计,或者是在满足应用要求的前提下降低工作频率,就可以降低整个芯片的功耗的。

当芯片的特征尺寸小到65nm及以下的时候,静态功耗的比重就越来越大。而现在的晶体管是按电子学原理工作的,无法防止漏电,仍然需要研究新的晶体管制造技术和水冷技术。据说,日本物质材料研究机构和东京大学共同开发了一种新的晶体管架构,不是依靠电子移动,而是通过铜原子离子化实现移动的,电消耗仅为现在晶体管的百万分之一[3]。

又据说,IBM已有了一种新式的水冷技术,水管小到不及一根头发丝的厚度,可用在叠层的芯片之间给芯片降温;未来10年到15年内可将庞然大物的超级计算机缩小至一块方糖大小。IBM水冷技术尚难解决的主要问题是芯片的叠层之间除了必须具备导线的功能外,还必须能够防水[4]。

现在的超级计算机,受功耗太大的限制,体积不能变小和性能也难以上升,不能用到移动性电子产品的嵌入式计算中。但人们估计,随着芯片制造技术的进步,未来的超级计算机也将向两极分化,一极是数据中心的极大规模的超级计算机,另一极是移动物体(手机、汽车、飞机和卫星等)的极小规模的超级计算机。例如,为了实现便携式电子产品的超级计算机,美国陆军研究室提出了非对称核计算(Asymmetric Core Computing)概念[5]。

更快的基础性作用

计算机有高性能计算、嵌入式计算以及网络化计算等三种应用模式,无论哪一种计算都是越快越好。芯片制造技术是通过提高芯片内的运算速度和芯片间的传输速度,来使这些计算越来越快的。

为了提高运算速度,芯片的特征尺寸就越小越好。但当芯片的特征尺寸小到65nm再往下小的时候,线的延迟与门的延迟比较起来就越来越大,出现了所谓的“长线” 问题。为了解决长线问题,IBM、Intel与Samsung等公司开发了传输距离能缩短1000倍的硅直通( TSV,Through-silicon-Via)二次集成技术,而且芯片之间的连线数目可以增加100倍,也可用来解决超级计算机的所谓“存储器墙”问题。二次集成制造技术不仅能为深亚微米的电子产品进一步变小提供新的技术基础; 而且在多种特征尺寸的芯片条件下,二次集成的TSV技术都可以通过增加芯片的叠层,使各种电子产品,特别是嵌入式计算机不断变小。例如,美国休斯公司早在二十世纪八十年代就开发了TSV技术,成功研制了用于航空航天图像处理的具有1024~16384个简单处理器的多种MPP(大规模并行处理)计算机,体积小到只有手掌的大小。

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