微电子发展历程及展望

微电子发展历程及展望

摘要：电子科学与技术是现代应用科学的重要组成部分，也是实现信息技术的基础。而随着人类步入信息社会，电子科学与技术及其应用也自然成为了信息社会的基石与核心。文章综合概述了电子科学与技术的发展历程，其涉及的知识以及研究内容，探讨了它如今面临的问题、机遇和挑战，并给出了可能的解决思路。

关键词：电子科学与技术;集成电路;科学发展史

Development of Electronic Science and Technology

Abstract ：Electronic science and technology is an important part of modern applied science and the basis of information technology. As human beings step into the information society, electronic science and technology and its application naturally become the cornerstone and core of the information society. This paper gives a comprehensive overview of the development of electronic science and technology, its knowledge and research content, discusses the problems, opportunities and challenges it faces today, and gives possible solutions.

Keywords ：Electronic science and technology; integrated circuits; history of science

1引言：

集成电路和软件是信息社会经济发展的基石和核心。正如美国工程技术界评出20世纪世界20项最伟大工程技术成就中第五项电子技术时提到,“从真空管到半导体、集成电路,已成为当代各行各业智能工作的基石。”1945年,当世界上第一台电子计算机ENIAC问世,但它俨然是一个庞然大物,占地150m2,重30t,耗电140kW,而且价格昂贵,花费了40万美元,但运算速度仅5000次/秒,存储容量只有千位,而且性能还不可靠,平均稳定时间才几分钟。试设想,这样的计算机能进入办公室、家庭、甚至个人携带吗?然而,在今天,一台体积仅为笔记本大小的电脑其运

算速度为每秒数亿次,重量不足两公斤,可以稳定、高可靠性地工作数十年,而成本仅为千美元量级。而这正是在电子科学与技术及其应用的推动下,以计算机为基础的信息技术才能取得如此巨大的成就,使得人类社会在21世纪成为信息的社会。同时给经济繁荣、社会进步和国家安全等方面带来了巨大成功，而且彻底改变了人们的生产、生活和思维方式。

2电子科学与技术的发展历史

电子科学与技术按基本电子器件可分为三个阶段：电子管阶段，半导体分立元件阶段，集成电路阶段。

2.1电子管阶段

电子管阶段是现代电子科学与技术的早期应用阶段，约从20世纪初开始一直到20世纪60年代，跨度近半世纪。这个阶段的基本电子元器件是真空电子管（简称电子管），核心器件是电子管以及机电式器件（如继电器、变压器、磁放大器等）。电子管最初在1904年由英国伦敦大学电工学教授弗莱明（SJ ·A· F · leming 1849～1945）研制出。电子管利用电场对真空中的控制栅极注入电子调制信号，并在阳极获得对信号放大或反馈振荡后的不同参数信号，是一种最早期的电信号放大器件。电子管的问世，推动了无线电电子学的蓬勃发展，除应用于电话放大器、海上和空中通讯外，也广泛渗透到家庭娱乐领域，将新闻、教育节目、文艺和音乐播送到千家万户，推动了人类社会向信息社会过度。但电子管同时缺点明显，它十分笨重，能耗大、寿命短、噪声大，制造工艺也十分复杂，科学家们开始集中精力研制能取代电子管的固体元器件。而这一替代品就是晶体管。

2.2半导体分立元件阶段

半导体分立元件阶段是现代电子科学与技术得到迅速发展的阶段。这一阶段的基本电子元器件是半导体元器件，以晶体管为主要代表。晶体管最早由美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿在1947年12月研制成功。晶体管克服了电子管元器件体积大、效率低、对环境要求比较高、使用不便等缺点，使电子系统技术性能大幅度提高，体积大为缩小，消耗的功率也迅速减少，系统效率得到了很大提高。晶体管问世之后，由于其广泛的用途而被迅速投入工业生产。当时美国的晶体管生

产基地主要集中于加州圣克拉拉周围的“硅谷”和德州达拉斯附近的“硅原”。

2.3集成电路阶段

随着电子装备复杂性的提高,连线和焊接点大大增加,不仅使电路系统体积太大,而且可靠性很差。出于对电子装备可靠性和小型化的要求,人们就着手研究“集成”。美国TI公司的J.S.Kilby认为有可能将这些元件同时“在位”制备在一起,并用互连形成电路,终于在1958年9月12日在实验室实现了第一个集成电路震荡器的演示实验,标志着集成电路的诞生。

图一第一块集成集成电路

集成电路的发明，是电子技术发展的重要里程碑。它把一个完整的电子系统集成在一个芯片中，构成片上系统（System on a Chip，SoC），使得电子系统的体积和功率损耗进一步缩小，进一步扩大了电子技术的应用范围。集成电路经历了小规模(SSI)，中规模(MSI)、大规模(LSI)，超大规模（VLSI），甚大规模（ULSI集成电路几个阶段。集成电路的发明为人类开创了微电子时代的新纪元。

集成电路首先被应用于航天和军事。1969年美国阿波罗11号登月成功和上世纪90年代两次海湾战争中“芯片打败钢铁”（即当时美国用高端芯片装备的巡航导弹击败了伊拉克的坦克、大炮）是集成电路应用于航天和军事最成功的事例。

成电路自发明以来四十年间,集成电路芯片的集成度每三年提高4倍,而加工特征尺寸缩小2倍。这就是由Intel公司创始人之一的Gordon E. Moore博士1965年总结的规律,被称为摩尔定律【1】。

1971年1月，英特尔公司制造出了一个能实际使用的微处理器“4004”芯片，它是世界上第一台真正的微处理器【2】。1980年IBM研制出第一代商用化PC，把世界推进到PC时代。又仅仅经过十几年的时间，世界上近20亿台PC互相联网，形