芯片和框架引線焊接。 　　新華社記者 黃 偉攝

　　今天，集成電路關系到許多傳統企業、新興企業乃至行業的核心競爭力。比如在汽車領域，芯片在發動機控制系統（如點火、變速傳動）、底盤控制系統（如轉向、駐車）、智能駕駛系統（如攝像、雷達、駕駛員監控）、車身及舒適安全系統（如車門、燈光、座椅、氣囊、空調、音響）、信息聯網系統（如導航）等部分廣泛應用，每部汽車約需要1000—2000塊集成電路。普通乘用車中，汽車電子（包括集成電路和分立器件）成本佔比已達40%，在純電動汽車中更是達到65%以上。　　信息時代，集成電路無處不在。大到航空航天、高鐵船舶，小到手機電腦、智能手表，集成電路都是關鍵“部件”。甚至傳統農業工業，也正在通過集成電路實現信息化、智能化。集成電路技術改變著人類的生產方式和生活方式，成為社會信息化的“引擎”，兼具經濟價值和戰略意義。

　　2020年，國務院印發《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》，力推集成電路產業高質量發展。“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要提出：“瞄准人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學、生物育種、空天科技、深地深海等前沿領域，實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目。”這8個領域均與集成電路相關，也深刻說明集成電路的研發、生產和應用是一項關鍵而復雜的社會工程。可以說，集成電路已經成為引領新一輪科技革命和產業變革的關鍵技術。

　　指甲蓋大小的信息“航母”

　　集成電路是通過在半導體基片上制作晶體管、電阻、電容和導線等，控制電子在固體中的運動，並封裝在外殼內執行特定電路或系統功能的電子器件。人們由其形貌，給集成電路取了一個更形象的名字：芯片。

　　手機、電腦、衛星、高鐵、工業機器人中的集成電路類型千差萬別，但都做著類似的事：信息的獲取、存儲、處理和傳輸。以集成電路與軟件構成的信息中樞，已經融入當今人類生產生活的各個領域，成為構筑信息社會的基石。在抗擊新冠肺炎疫情中，為更准確地進行流調，手機掃碼成為生活中的常態，而手機的核心組件正是集成電路。

　　集成電路的主要基底材料，是地球上除氧之外含量最豐富的元素——硅。人們常見的砂石中，就含有硅元素。一塊黑褐色的硅石片，看上去不起眼，但經過人們的創新設計和加工制造，便成為集成電路。它將人類的智慧與創造固化在硅芯片上，使用價值巨大，可謂“點石成金”。自1958年集成電路發明以來，隨著設計和制作技術不斷進步，單一芯片上集成的晶體管數，就處理器而言呈每24個月增長一倍的趨勢，這就是著名的“摩爾定律”。現在，集成電路已經可以在單一芯片上集成上百億個晶體管。

　　得益於集成電路，計算機技術突飛猛進。最初的電子管計算機，由約1.8萬個電子管組成，佔地150平方米，重30噸，耗電140千瓦，計算速度隻有每秒幾千次。如今，超級計算機計算速度可達每秒百億億次，並在生物醫藥、新材料研究、太空探索、基因測序、天氣預報等領域發揮重要作用。在移動通信領域，得益於集成電路技術的快速進步，通信網絡傳輸速率不斷提高，第五代移動通信技術（5G）已經普遍應用。

　　集成電路不僅解決了信息處理的問題，還解決了信息的存儲、獲取和傳輸問題。半導體存儲器在移動設備中已經取代磁盤存儲器，手機、U盤可以隨時存儲或讀取大量文件﹔半導體傳感器解決了光影、力、磁、化學、生物等自然信號轉變為電信號的問題，例如採用圖像芯片可隨時隨地拍攝照片或視頻﹔以集成電路為內核的互聯網，使信息傳輸變得方便快捷，無論是汽車導航、網購商品還是數字支付，都已進入人們的日常生活。在集成電路構成的信息終端之間，無論何時何地，都可以進行聲音、文字、圖像、視頻等信息的交換。

　　基礎研究創新驅動的朝陽產業

　　集成電路產業飛速發展靠的是創新驅動，比如從平面到三維的器件結構創新，從硅材料到化合物半導體、碳基材料的創新，從紫外線光刻到極紫外光刻設備的創新等等。這些創新萬變不離其宗，無一不是來自數十年的基礎研究成果積累。

　　當前，集成電路已發展到“后摩爾時代”。不再僅以“每兩年集成度提高一倍”為主要指標，而是以“降低功耗、提高性能功耗比”作為發展標尺。現在的集成度已達到一個指甲蓋大小的芯片上，可以集成超過全世界人口數量（超70億）的晶體管。每個晶體管都需要能源供給並散發熱量，導致芯片能耗高，不利於廣泛應用，比如手機出現發熱問題。我們可以採用新原理、新材料、新工藝和新結構器件及其新型集成電路架構，降低單個晶體管的漏電流和電源電壓，芯片靜態功耗就會降低。對於更重要的動態功耗，不同集成電路功能不同，動態功耗各異，功耗降低以后可以再增加晶體管集成度，進一步提高性能。在“后摩爾時代”，集成電路技術有4個發展方向。

　　繼續縮小尺寸。最初，集成電路加工尺寸為10微米，現在最先進的加工技術已達到10納米以下。10微米是1納米的1萬倍，這相當於普通自行車車輪直徑和一根頭發絲直徑的比例。加工尺寸越小，同樣面積的硅片上就能容納更多晶體管，從而處理更多信息﹔同時，加工尺寸越小，晶體管的柵長就越短，電信號在晶體管內以及晶體管之間的傳輸速度就越快。一般來說，加工尺寸為上一代工藝節點的0.7倍時，晶體管面積縮小50%，集成電路性能提升1倍。當集成電路進入2納米技術代時，每平方毫米的硅片上可容納3.3億個晶體管。

　　將不同功能的芯片通過系統集成和三維封裝等方式組合，以滿足集成電路多功能應用需求。如將不同工藝、不同材料、不同功能的數字電路、存儲電路、模擬電路、射頻電路、高壓電路、功率電路、驅動電路、傳感器與執行器、生物芯片等封裝在一起，形成一個多功能集成系統模塊，進而組成一個全新的、完整的電子系統，以適應不同領域、不同場合的應用需求。這就相當於隻用一個集成系統模塊，就可以承擔整個系統的功能，好比不同軍種組合成一個集團軍，以完成多樣化任務。

　　器件結構革新。開發量子器件、單電子器件、石墨烯器件、仿生類腦器件等。晶體管是集成電路的核心器件，最初的晶體管是雙極型結構，后來金屬氧化物半導體器件誕生，成為主流集成電路器件結構。現在，平面的金屬氧化物半導體器件結構變為三維的鰭形柵結構，並正向環形柵方向發展。每一次器件結構革新，都會帶來集成電路技術重大進步。量子器件和單電子器件是晶體管工作原理上的革新，石墨烯器件是晶體管材料的革新，仿生類腦器件則是模擬神經元人腦突觸的器件。這種革新為集成電路的創新應用提供更多可能，如仿生類腦器件將為人工智能網絡的應用插上翅膀。

　　與其他學科結合，產生多種集成微納系統。集成電路與其他學科具有十分廣泛的交叉性，而交叉點往往是創新點。國務院學位委員會批准設立“集成電路科學與工程”一級學科時，就將其列為交叉學科中的第一個學科。集成電路與精密機械結合，誕生了微機電系統，例如硅陀螺，精度好、可靠性高，現已應用於汽車、飛機和船舶等，凡是需要導航的地方都可以應用﹔與生物學結合，誕生了可穿戴的、檢測人們身體指標的各種芯片。

　　建立新形態信息技術科學和產業。這方面，手機的發展是典型案例。手機最初是通信范圍有限的模擬式“大哥大”，之后是可以接打電話的數字式按鍵撥號手機，並有了漢字顯示功能，屏幕由黑白轉為彩色，觸屏取代了實體按鍵，還進一步成為替代相機的隨身工具。隨著網絡通信技術發展，手機獲取和傳輸文字、聲音、圖像的速度，已經能夠“手到擒來”。一部手機，在集成電路技術推動下，從“電話”變成了人們必備的智能信息中心。與之相關的網絡購物、網絡直播等新形態信息產業正在形成，與此同時，以信件、郵票、郵遞員為主的郵電產業也在適應變化、升級迭代。未來，隨著物理、化學、數學、生物學、計算機科學與軟件等學科和相應技術的進步，集成電路將繼續推動信息技術科學和產業創新發展，為人們工作生活帶來更多便利和新的可能。

　　未來，集成電路將在更多維度和更大空間發展起來，前景廣闊，信息化社會和數字時代需要這樣的“引擎”。世上無難事，隻要肯登攀。相信這一朝陽產業將從多維度、多方面推動我國信息化和數字化發展。

　　（作者為中國科學院院士、北京大學教授） 

　　制圖：趙偲汝 

　　

　　推薦讀物：

　　《集成電路產業全書》：王陽元主編﹔電子工業出版社出版。

　　《“后摩爾時代”微納電子學》：中國科學院、國家自然科學基金委員會編﹔科學出版社出版。

　　《微電子學概論（第三版）》：張興、黃如、劉曉彥編著﹔北京大學出版社出版。

　　《 人民日報 》（ 2022年05月13日 20 版）

分享讓更多人看到