談集成電路發(fā)展限制及技術(shù)途徑

集成電路是一種微型電子器件或部件，它使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。 

 圖源于網(wǎng)絡(luò)

集成電路面臨兩大限制
　　
　　沿著“摩爾定律”，集成電路技術(shù)走過(guò)了50余年的歷程。如今的生產(chǎn)技術(shù)已接近達(dá)到22nm，如果繼續(xù)沿著按比例縮小之路走下去，根據(jù)2011年ITRS的預(yù)測(cè)，DRAM的最小加工線寬在2024年有可能達(dá)到8nm，進(jìn)入量子物理和介觀物理的范疇，這時(shí)將面對(duì)兩大限制。
　　
　　一、微觀尺度限制
　　
　　由于介觀尺度的材料一方面含有一定量粒子，無(wú)法僅僅用薛定諤方程求解，同時(shí)，其粒子數(shù)又沒(méi)有多到可以忽略統(tǒng)計(jì)漲落的程度(根據(jù)傳統(tǒng)測(cè)量方法得到的硅原子半徑為110pm，通過(guò)計(jì)算方法得到的硅原子半徑111pm)，這就使得集成電路技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展遇到很多物理障礙，如費(fèi)米釘扎、庫(kù)倫阻塞、量子隧穿、雜質(zhì)漲落、自旋輸運(yùn)等，需用介觀物理和基于量子化的處理方法來(lái)解決。
　　
　　二、功耗限制
　　
　　英特爾認(rèn)為他們Pentium系列芯片的功率密度已與電爐相當(dāng)。由于高溫對(duì)集成電路的高頻性能、漏電和可靠性劣化產(chǎn)生巨大影響，如任其發(fā)展，則集成電路的發(fā)熱要向著核反應(yīng)堆、火箭噴嘴乃至太陽(yáng)表面的功率密度發(fā)展，顯然，這是不可能被接受的事實(shí)。對(duì)于不斷增長(zhǎng)的熱耗散，要么采用水冷裝置來(lái)解決散熱問(wèn)題，但這與電子設(shè)備的小型化、輕量化、移動(dòng)化的發(fā)展方向相悖;要么必須開(kāi)發(fā)低功耗乃至甚低功耗的集成電路來(lái)解決集成電路功耗不斷上升的問(wèn)題。

如何突破集成電路的上述限制并滿足節(jié)能社會(huì)的需求，目前在進(jìn)行的有三條技術(shù)途徑：
　　
　　一是繼續(xù)摩爾定律，也就是繼續(xù)走比例縮小之路，將與數(shù)字有關(guān)的內(nèi)容集成在單一芯片上，成為芯片系統(tǒng)，但16/14nm之后的大生產(chǎn)工藝尚不明朗，還正在摸索之中;
　　
　　二是超越摩爾，即采取系統(tǒng)封裝的方法將非數(shù)字的內(nèi)容，如模擬電路、射頻電路、高壓和功率電路、傳感器乃至生物芯片全部集成在一起，形成功能更全、性能更優(yōu)、價(jià)值更高的電子系統(tǒng);
　　
　　三是采取新原理，即采用自下而上的方法或采用新的材料創(chuàng)建新的器件結(jié)構(gòu)，如量子器件(單電子器件、自旋器件、磁通量器件等)和基于自組裝的原子和分子器件(石墨烯、碳納米管、納米線等)，也有可能隨著物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物等新發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破，另辟蹊徑，建立新形態(tài)的信息科學(xué)技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。預(yù)計(jì)集成電路技術(shù)在21世紀(jì)30年代，上述技術(shù)途徑在相互碰撞的火花中會(huì)產(chǎn)生革命性的突破。
 

2222222222222222222222222222規(guī)范化地方貴

集成電路是一種微型電子器件或部件，它使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。 

 圖源于網(wǎng)絡(luò)

集成電路面臨兩大限制
　　
　　沿著“摩爾定律”，集成電路技術(shù)走過(guò)了50余年的歷程。如今的生產(chǎn)技術(shù)已接近達(dá)到22nm，如果繼續(xù)沿著按比例縮小之路走下去，根據(jù)2011年ITRS的預(yù)測(cè)，DRAM的最小加工線寬在2024年有可能達(dá)到8nm，進(jìn)入量子物理和介觀物理的范疇，這時(shí)將面對(duì)兩大限制。
　　
　　一、微觀尺度限制
　　
　　由于介觀尺度的材料一方面含有一定量粒子，無(wú)法僅僅用薛定諤方程求解，同時(shí)，其粒子數(shù)又沒(méi)有多到可以忽略統(tǒng)計(jì)漲落的程度(根據(jù)傳統(tǒng)測(cè)量方法得到的硅原子半徑為110pm，通過(guò)計(jì)算方法得到的硅原子半徑111pm)，這就使得集成電路技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展遇到很多物理障礙，如費(fèi)米釘扎、庫(kù)倫阻塞、量子隧穿、雜質(zhì)漲落、自旋輸運(yùn)等，需用介觀物理和基于量子化的處理方法來(lái)解決。
　　
　　二、功耗限制
　　
　　英特爾認(rèn)為他們Pentium系列芯片的功率密度已與電爐相當(dāng)。由于高溫對(duì)集成電路的高頻性能、漏電和可靠性劣化產(chǎn)生巨大影響，如任其發(fā)展，則集成電路的發(fā)熱要向著核反應(yīng)堆、火箭噴嘴乃至太陽(yáng)表面的功率密度發(fā)展，顯然，這是不可能被接受的事實(shí)。對(duì)于不斷增長(zhǎng)的熱耗散，要么采用水冷裝置來(lái)解決散熱問(wèn)題，但這與電子設(shè)備的小型化、輕量化、移動(dòng)化的發(fā)展方向相悖;要么必須開(kāi)發(fā)低功耗乃至甚低功耗的集成電路來(lái)解決集成電路功耗不斷上升的問(wèn)題。

如何突破集成電路的上述限制并滿足節(jié)能社會(huì)的需求，目前在進(jìn)行的有三條技術(shù)途徑：
　　
　　一是繼續(xù)摩爾定律，也就是繼續(xù)走比例縮小之路，將與數(shù)字有關(guān)的內(nèi)容集成在單一芯片上，成為芯片系統(tǒng)，但16/14nm之后的大生產(chǎn)工藝尚不明朗，還正在摸索之中;
　　
　　二是超越摩爾，即采取系統(tǒng)封裝的方法將非數(shù)字的內(nèi)容，如模擬電路、射頻電路、高壓和功率電路、傳感器乃至生物芯片全部集成在一起，形成功能更全、性能更優(yōu)、價(jià)值更高的電子系統(tǒng);