物理学前沿讲座现代电子技术的现状及发展趋势

物理学前沿讲座现代电子技术的现状及发展趋势2019/12/1012019/12/102当前社会是信息社会，信息技术目前还没有一个十分统一的定义。从广义上讲，凡是与上述诸方面相关的技术都可以叫做信息技术，通常可分为四类，即感测技术、通信技术、计算机技术和控制技术。所谓感测技术，是指对信息的传感、采集技术；通信技术是传递信息的技术；计算机技术是处理、存储信息的技术；控制技术则是使用与反馈信息的技术。一般认为，信息技术就是获取、处理、传递、储存、使用信息的技术。2019/12/103信息技术的应用性很强，因此又常被称作“3C”技术、“3A”技术等等，此外还有“3D”之说。3A是指工厂自动化(FactoryAutomation)、办公自动化(OfficeAutomation)和家庭自动化(HomeAutomation)。3C是指通信(Communication)、计算机(Computer)、控制(Control)三种技术，它们的英文名称的第一个字母都是“C”，所以简称3C技术。“3D”是指数字传输(DigitalTransmission)、数字交换(DigitalSwitching)、数字处理(DigitalProcessing)三种数字技术。2019/12/104信息技术的基本结构大致可概括为：计算机技术领域是核心；电子技术是信息技术的关键支撑技术，其中包括微电子技术、光电子技术；信息材料技术是基础信息技术，其中包括电子备料以及光学材料技术；通信技术是信息技术的重要的直接组成部分。2019/12/105电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。进入21世纪，人们面临的是以微电子技术（半导体和集成电路为代表）电子计算机和因特网为标志的信息社会。高科技的广泛应用使社会生产力和经济获得了空前的发展。现代电子技术在国防、科学、工业、医学、通讯（信息处理、传输和交流）及文化生活等各个领域中都起着巨大的作用。现在的世界，电子技术无处不在，人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它。1．电子器件技术陕西师范大学物理学与信息技术学院电子技术的应用基本器件的两个发展阶段分立元件阶段（1905～1959）真空电子管、半导体晶体管集成电路阶段（1959～）SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI主要阶段概述第一代电子产品以电子管为核心。四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管。五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。分立元件阶段电子管时代（1905～1948）为现代技术采取了决定性步骤主要大事记1905年爱因斯坦阐述相对论——E＝mc21906年亚历山德森研制成高频交流发电机德福雷斯特在弗菜明二极管上加栅极，制威第一只三极管1912年阿诺德和兰米尔研制出高真空电子管1917年坎贝尔研制成滤波器1922年弗里斯研制成第一台超外差无线电收音机1934年劳伦斯研制成回旋加速器1940年帕全森和洛弗尔研制成电子模拟计算机1947年肖克莱、巴丁和布拉顿发明晶体管；香农奠定信息论的基础真空电子管分立元件阶段晶体管时代（1948～1959）宇宙空间的探索即将开始主要大事记1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱研制成第一个点接触型晶体管1948年贝尔实验室的香农发表信息论的论文英国采用EDSAG计算机，这是最早的一种存储程序数字计算机1949年诺伊曼提出自动传输机的概念1950年麻省理工学院的福雷斯特研制成磁心存储器1952年美国爆炸第一颗氢弹1954年贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅1957年苏联发射第一颗人造地球卫星1958年美国得克萨斯仪器公司和仙童公司宣布研制成第一个集成电路基本分立元件展示电阻器电容器线圈电池晶体管集成电路阶段时期规模集成度（元件数）50年代末小规模集成电路（SSI）10060年代中规模集成电路（MSI）100070年代大规模集成电路（LSI）100070年代末超大规模集成电路（VLSI）1000080年代特大规模集成电路（ULSI）100000自1958年第一块集成元件问世以来，集成电路已经跨越了小、中、大、超大、特大、巨大规模几个台阶，集成度平均每2年提高近3倍。随着集成度的提高，器件尺寸不断减小。1985年，1兆位ULSI的集成度达到200万个元件，器件条宽仅为1微米；1992年，16兆位的芯片集成度达到了3200万个元件，条宽减到0.5微米，而后的64兆位芯片，其条宽仅为0.3微米。陕西师范大学物理学与信息技术学院集成电路阶段集成电路制造技术的发展日新月异，其中最具有代表性的集成电路芯片主要包括以下几类，它们构成了现代数字系统的基石。可编程逻辑器件（PLD）微控制芯片（MCU）数字信号处理器（DSP）大规模存储芯片（RAM/ROM）陕西师范大学物理学与信息技术学院以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业，已经成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。目前，发达国家国民经济总产值增长部分的65%与集成电路相关,美国国防预算中的电子含量已占据了半壁江山。预计未来10年内，世界集成电路销售额将以年平均15%的速度增长，2019年将达到6000~8000亿美元。作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主知识产权的集成电路已日益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。集成电路阶段2019/12/1013陕西师范大学物理学与信息技术学院集成电路的集成度和产品性能每18个月增加一倍。据专家预测,今后20年左右,集成电路技术及其产品仍将遵循这一规律发展。集成电路最重要的生产过程包括：开发EDA(电子设计自动化)工具利用EDA进行集成电路设计根据设计结果在硅圆片上加工芯片(主要流程为薄膜制造、曝光和刻蚀)对加工完毕的芯片进行测试为芯片进行封装最后经应用开发将其装备到整机系统上与最终消费者见面。集成电路阶段2019/12/1014陕西师范大学物理学与信息技术学院美国芯片微细加工技术目前正在从亚微米向纳米技术过渡，2019年3月，Intel公司宣布其已采用0.09微米工艺生产出面积仅为1平方微米的SRAM。超紫外光刻技术（EUV）被视为是保证摩尔定律今后依旧适用的法宝。EUV技术可使半导体制造商在芯片上蚀刻电路线的等级达到0.03微米。比现有制造技术所产生的芯片性能提高100倍，存储容量也可以达到目前的100倍以上。由Intel、IBM、摩托罗拉等公司所组成的企业联盟与美国三个国家实验室，一直致力EUV的研发，投入开发经费已逾2.5亿美元。在各芯片厂商都以面积最小化、功能最大化作为发展方向的趋势中，将整个电子系统全部集成到一块单芯片之中的SOC越来越呈现出重要性。集微处理器、快闪存储器和数字信号处理器为一体的计算机芯片。这种高度集成的芯片将对手持计算机、移动电话和其他移动设备的改进产生巨大影响。集成电路阶段2019/12/1015陕西师范大学物理学与信息技术学院我国集成电路产业起步于20世纪60年代，80年代中期我国集成电路的加工水平为5微米，其后，经历了3、1、0.8、0.5、0.35微米的发展，目前达到了0.18微米的水平，而当前国际水平为0.09微米（90纳米），我国与之相差约为2-3代。2019年全国集成电路产量为64亿块，销售额200亿元人民币。2019年6月,共有半导体企事业单位651家,其中芯片制造厂46家,封装、测试厂108家,设计公司367家,分立器件厂商130家,从业人员11.5万人。设计能力0.18~0.25微米、700万门,制造工艺为8英寸、0.18~0.25微米,主流产品为0.35~0.8微米。与国外的主要差距：一是规模小，2000年,国内生产的芯片销售额仅占世界市场总额的1.5%，占国内市场的20%；二是档次低，主流产品加工技术比国外落后两代；三是创新开发能力弱，设计、工艺、设备、材料、应用、市场的开发能力均不十分理想，其结果是今天受制于人,明天后劲乏力；四是人才欠缺。集成电路阶段2019/12/1016陕西师范大学物理学与信息技术学院政府的策略：《中共中央国务院关于加强技术创新，发展高科技，实现产业化的决定》指出：“突出高新技术产业领域的自主创新，培育新的经济增长点，在电子信息特别是集成电路设计与制造、网络及通信、计算机及软件、数字化电子产品等方面，……加强高新技术创新，形成一批拥有自主知识产权、具有竞争优势的高新技术产业”。专家的共识：中国科学院、中国工程院专门成立了包括师昌绪、王淀佐、王越、王阳元等10位院士组成的专家咨询组。在大量调查研究的基础上，专家们建议，我国在“十五”期间要像当年搞“两弹一星”一样，集中国家有限的人力和财力，开发有自主知识产权的新一代微电子核心工艺技术及产品。专家的意见和政府的策略EDA技术电子设计技术的核心就是EDA技术。EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计和PCB设计。电子系统设计自动化(ESDA)阶段（90年代以后）：设计人员按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。EDA技术发展的三个阶段：计算机辅助设计(CAD)阶段（70年代）：用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线，取代了手工操作。计算机辅助工程(CAE)阶段（80年代）：与CAD相比，CAE除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。CAE的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。ARM开发板陕西师范大学物理学与信息技术学院集成电路发展目前仍以摩尔定律所揭示的规律向前发展，晶圆的面积也在不断地加大，以软／硬件协同设计、具有知识产权的内核（IP核）复用和超深亚微米技术为支撑的系统芯片(SystemonChip－SOC)是超大规模集成电路发展的趋势和新世纪集成电路的主流。IC产业技术发展经历了电路集成、功能集成、技术集成，直到今天基于计算机软硬件的知识集成，其目标就是将电子产品系统电路不断集成到芯片中去，力图吞噬整个产品系统。单芯片的嵌入式系统的出现，以单个芯片实现的产品系统不仅仅限于硬件系统，而是一个带有柔性性能的软、硬件集合体的电子系统。SoC是微电子领域IC设计的最终目标陕西师范大学物理学与信息技术学院多学科融合与渗透陕西师范大学物理学与信息技术学院不同时代的设计方法学陕西师范大学物理学与信息技术学院SOC设计方法学陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西师范大学物理学与信息技术学院传统的ASIC设计与深亚微米集成电路设计流程比较发展SOC面临的主要问题设计复用。是一个关键问题。接口问题。时序收敛问题。互连线延迟越来越突出。设计验证，最大的挑战，70%的工作量。价格。工艺兼容性问题。也是一个关键问题。过细分工带来的问题。设计语言问题。低功耗问题。陕西师范大学物理学与信息技术学院核的分类与定义SoC由各种片上功能的嵌入式核组合而成。•软核是用可综合的RTL描述或者通用库元件的网表形式表示的可复用模块。用户须负责实际的实现和版图。•固核是指在结构和拓扑针对性能和面积通过版图规划，甚至可用某种工艺技术进行优化的可复用模块。它们以综合好的代码或通过库元件的网表形式存在。•硬核是指在性能、功率和面积上经过优化并映射到特定工艺技