2024年5月25日发(作者：濮阳温茂)

第一节 微电子与计算机技术

一、硅片上创造的奇迹——微电子技术

当你通过卫星转播欣赏世界杯足球赛的时候，当你用移动式电话和客户洽谈生意的时

候，当你用国际直拨长途电话和远隔重洋的亲人畅叙思念之情的时候，当你在办公室通过因

特网收发电子邮件或查询信息的时候，你有没有想过，近30年来电子信息技术的发展给

我们的工作、生活和生产带来多么大的变化；你是否知道，现代化的广播电视技术、通信

技术、计算机技术的发展都离不开一项基础技术----微电子技术。微电子技术是20世纪人类

最伟大的发明之一，人类在硅片上创造的这一奇迹是进入信息社会的重要技术基础。因此人

们常称呼我们目前所处的时代是微电子时代。

1、微电子技术的发展历程

微电子的“微”原是微小的意思，与微缩景观、微缩胶卷、微雕艺术中的“微”字意义相近。

微雕艺人把几十个字刻在头发上已令人赞叹，而现在微电子加工企业可以把上亿个电子器件

集成在指甲大小的硅片上，真是令常人难以想象。随着精细化技术的发展，器件尺寸已缩小

到纳米（10

-9

米）即毫微米级，这就是近几年蓬勃兴起的纳米技术，也有人预言21世纪将

出现“纳电子”技术。因此，准确地讲，微电子技术主要是指晶体管等基础元件尺寸在微米

（百万分之一米）数量级左右的半导体集成电路技术。反映集成电路内元件尺寸的主要参数

是线宽，最初的线宽为几微米，目前最先进的工业生产线已达到0.13微米。多数专家预计

由于生产成本等方面的限制，微电子工艺10-15年内可达到的最高水平为0.05微米。

追根溯源，微电子技术的诞生应归功于晶体管的发明。试想，如果今天的开关元件还是

电子管，怎么可能在一立方厘米内放下成千上万个电子管？尽管晶体管的发现如同阿基米德

发现浮力一样有其偶然因素，但本质上讲，晶体管的发明与改进得益于20世纪初提出的量

子理论，只有在量子理论基础上才能发展固体物理、半导体材料理论，从而促进集成电路技

术的不断发展。事实上，晶体管的主要发明人肖克利（后来第一位“下海”办企业的诺贝尔

奖获得者）就是麻省理工学院的固体物理学博士；而另一位发明人巴丁（两次诺贝尔奖获得

者）曾同时在伊利诺依大学物理系和电机系当教授。

1947年发明锗晶体管以后，又经过6-7年努力突破了从随处可得的沙砾中提炼半导体

材料硅单晶的技术，晶体管的应用才开始普及。最初晶体管和电视等其他元件都是零散地放

在电路板上，通过导线连成电路。1952年英国的首先提出集成电路的设计思想，

美国德州仪器公司擅长电路设计的基尔比工程师1958年9月将5个元件（其中四个晶体管）

做在一块1.2厘米长的锗单晶片上，实现了人类第一块集成电路。1962年商品化的集成电路

问世。第一代集成电路大部分采用双极型晶体管和晶体管—晶体管逻辑（TTL），结构复杂，

集成度低。到70年代金属—氧化物—半导体场效应晶体管，即MOS工艺成为集成电路的

主流。MOS集成电路（包括PMOS、NMOS和CMOS等）制造工艺简单、集成度高、噪声

小，目前多数微处理器和存储器都属于这一类集成电路。

1965年，仙童公司的创始人戈登

.

摩尔根据1958年以来集成电路的发展，预测每两年同

样硅片面积上的晶体管数目翻一番，原来他又把时间周期调整为18个月。这一预测在后来

几十年历史中基本得到验证，被信息领域广泛引用为“摩尔定律”。（见图一）一年半集成度

增加一倍也就是每五年10倍，10年100倍。1965年一块集成电路含10个晶体管，70年是

100个，80年约10000个，90年约100万个，2000年约1亿个晶体，真是每10年集成度提

高100倍！

1

1975

10M

(晶体管)

1985

安腾

500

(mips)

奔腾

1M

100K

80286

25

1.0

0.1

80486

80386

10K

8086

4004

8080

0.01

图一：Intel微处理器的摩尔定律

集成电路，“小”意味着“快”，器件越小速度越快。这是因为开关速度取决于集成电路

中布线的电阻和线间电容，开关时间即充放电时间，与电阻电容乘积（即RC）成反比。器

件与连线面积越小，集成电路的速度（表现为时钟频率）就越高。因此，摩尔定律也表述为

每隔一年半到二年，集成电路的性能差不多翻一番。1971年Intel推出的第一代微处理器

4004，主频只有108千赫，70年代末推出的16位微处理器8086，主频达到5-10兆赫，性

能比8008提高100倍以上。80年代中推出的80386芯片，已采用1微米工艺，主频达到33

兆赫。93年Intel推出66兆主频的Pentium（奔腾）芯片采用了超标量技术，性能比33兆

赫的486芯片高5倍。95年以后，由于采用先进的RISC技术、铜线技术等，芯片速度平均

每年递增50%以上。到2000年，主频1G赫以上的微处理器芯片已问世。值得指出的是，

微处理器的性能不完全取决于主频速度。除时钟频率外，芯片性能与其体系结构和编译有密

切关系，芯片中有几条浮点计算流水线、有多少缓冲存储器以及编译优化的水平都是决定芯

片性能的关键因素。Intel X-86系列的芯片中只有一条浮点流水线，800M主频的奔腾-III峰

值浮点运算速度为800Mflops，即每秒8亿次。而IBM power3包含4条浮点流水线，400M

主频下浮点峰值速度就有每秒16亿次。

摩尔定律不是象牛顿定律一样精确的物理定律，它反映半导体技术进步，是符合客观规律的

预测。半导体器件工艺的改进主要体现为光刻设备的改进，每一次升级光刻获得的线宽（大

约需一年半时间）缩小30%左右，比如从0.5微米到0.35微米，从0.35微米到0.25微米。

线宽缩小30%意味着面积缩小一半（0.7*0.70.5 ），也就是说，每一年半左右集成度提高一

倍。信息产业的飞速发展建立在摩尔定律基础上，摩尔定律对当代社会有着十分深刻的影响。

2、集成电路漫谈

根据功能与工作机理不同，集成电路（IC）可分为数字逻辑IC、模拟IC和数字模拟混

合IC。数字逻辑IC是以二进制为基础进行数字计算与逻辑运算的集成电路，由各种门电路

与记忆元件组成，大多数集成电路如微处理器、存储器芯片等都属于这一类。模拟集成电路

处理的信息是连续变化的物理量，如电压、电流、温度等。数模混合集成电路既包含数字电

路又包含模拟电路。过去几十年里通信和广播电视主要采用模拟器件，由模拟向数字化发展

是信息技术的重要趋势。信息只有数字化以后才能充分发挥微电子技术的巨大潜力。近几年

2

2024年5月25日发(作者：濮阳温茂)

第一节 微电子与计算机技术

一、硅片上创造的奇迹——微电子技术

当你通过卫星转播欣赏世界杯足球赛的时候，当你用移动式电话和客户洽谈生意的时

候，当你用国际直拨长途电话和远隔重洋的亲人畅叙思念之情的时候，当你在办公室通过因

特网收发电子邮件或查询信息的时候，你有没有想过，近30年来电子信息技术的发展给

我们的工作、生活和生产带来多么大的变化；你是否知道，现代化的广播电视技术、通信

技术、计算机技术的发展都离不开一项基础技术----微电子技术。微电子技术是20世纪人类

最伟大的发明之一，人类在硅片上创造的这一奇迹是进入信息社会的重要技术基础。因此人

们常称呼我们目前所处的时代是微电子时代。

1、微电子技术的发展历程

微电子的“微”原是微小的意思，与微缩景观、微缩胶卷、微雕艺术中的“微”字意义相近。

微雕艺人把几十个字刻在头发上已令人赞叹，而现在微电子加工企业可以把上亿个电子器件

集成在指甲大小的硅片上，真是令常人难以想象。随着精细化技术的发展，器件尺寸已缩小

到纳米（10

-9

米）即毫微米级，这就是近几年蓬勃兴起的纳米技术，也有人预言21世纪将

出现“纳电子”技术。因此，准确地讲，微电子技术主要是指晶体管等基础元件尺寸在微米

（百万分之一米）数量级左右的半导体集成电路技术。反映集成电路内元件尺寸的主要参数

是线宽，最初的线宽为几微米，目前最先进的工业生产线已达到0.13微米。多数专家预计

由于生产成本等方面的限制，微电子工艺10-15年内可达到的最高水平为0.05微米。

追根溯源，微电子技术的诞生应归功于晶体管的发明。试想，如果今天的开关元件还是

电子管，怎么可能在一立方厘米内放下成千上万个电子管？尽管晶体管的发现如同阿基米德

发现浮力一样有其偶然因素，但本质上讲，晶体管的发明与改进得益于20世纪初提出的量

子理论，只有在量子理论基础上才能发展固体物理、半导体材料理论，从而促进集成电路技

术的不断发展。事实上，晶体管的主要发明人肖克利（后来第一位“下海”办企业的诺贝尔

奖获得者）就是麻省理工学院的固体物理学博士；而另一位发明人巴丁（两次诺贝尔奖获得

者）曾同时在伊利诺依大学物理系和电机系当教授。

1947年发明锗晶体管以后，又经过6-7年努力突破了从随处可得的沙砾中提炼半导体

材料硅单晶的技术，晶体管的应用才开始普及。最初晶体管和电视等其他元件都是零散地放

在电路板上，通过导线连成电路。1952年英国的首先提出集成电路的设计思想，

美国德州仪器公司擅长电路设计的基尔比工程师1958年9月将5个元件（其中四个晶体管）

做在一块1.2厘米长的锗单晶片上，实现了人类第一块集成电路。1962年商品化的集成电路

问世。第一代集成电路大部分采用双极型晶体管和晶体管—晶体管逻辑（TTL），结构复杂，

集成度低。到70年代金属—氧化物—半导体场效应晶体管，即MOS工艺成为集成电路的

主流。MOS集成电路（包括PMOS、NMOS和CMOS等）制造工艺简单、集成度高、噪声

小，目前多数微处理器和存储器都属于这一类集成电路。

1965年，仙童公司的创始人戈登

.

摩尔根据1958年以来集成电路的发展，预测每两年同

样硅片面积上的晶体管数目翻一番，原来他又把时间周期调整为18个月。这一预测在后来

几十年历史中基本得到验证，被信息领域广泛引用为“摩尔定律”。（见图一）一年半集成度

增加一倍也就是每五年10倍，10年100倍。1965年一块集成电路含10个晶体管，70年是

100个，80年约10000个，90年约100万个，2000年约1亿个晶体，真是每10年集成度提

高100倍！

1

1975

10M

(晶体管)

1985

安腾

500

(mips)

奔腾

1M

100K

80286

25

1.0

0.1

80486

80386

10K

8086

4004

8080

0.01

图一：Intel微处理器的摩尔定律

集成电路，“小”意味着“快”，器件越小速度越快。这是因为开关速度取决于集成电路

中布线的电阻和线间电容，开关时间即充放电时间，与电阻电容乘积（即RC）成反比。器

件与连线面积越小，集成电路的速度（表现为时钟频率）就越高。因此，摩尔定律也表述为

每隔一年半到二年，集成电路的性能差不多翻一番。1971年Intel推出的第一代微处理器

4004，主频只有108千赫，70年代末推出的16位微处理器8086，主频达到5-10兆赫，性

能比8008提高100倍以上。80年代中推出的80386芯片，已采用1微米工艺，主频达到33

兆赫。93年Intel推出66兆主频的Pentium（奔腾）芯片采用了超标量技术，性能比33兆

赫的486芯片高5倍。95年以后，由于采用先进的RISC技术、铜线技术等，芯片速度平均

每年递增50%以上。到2000年，主频1G赫以上的微处理器芯片已问世。值得指出的是，

微处理器的性能不完全取决于主频速度。除时钟频率外，芯片性能与其体系结构和编译有密

切关系，芯片中有几条浮点计算流水线、有多少缓冲存储器以及编译优化的水平都是决定芯

片性能的关键因素。Intel X-86系列的芯片中只有一条浮点流水线，800M主频的奔腾-III峰

值浮点运算速度为800Mflops，即每秒8亿次。而IBM power3包含4条浮点流水线，400M

主频下浮点峰值速度就有每秒16亿次。

摩尔定律不是象牛顿定律一样精确的物理定律，它反映半导体技术进步，是符合客观规律的

预测。半导体器件工艺的改进主要体现为光刻设备的改进，每一次升级光刻获得的线宽（大

约需一年半时间）缩小30%左右，比如从0.5微米到0.35微米，从0.35微米到0.25微米。

线宽缩小30%意味着面积缩小一半（0.7*0.70.5 ），也就是说，每一年半左右集成度提高一

倍。信息产业的飞速发展建立在摩尔定律基础上，摩尔定律对当代社会有着十分深刻的影响。

2、集成电路漫谈

根据功能与工作机理不同，集成电路（IC）可分为数字逻辑IC、模拟IC和数字模拟混

合IC。数字逻辑IC是以二进制为基础进行数字计算与逻辑运算的集成电路，由各种门电路

与记忆元件组成，大多数集成电路如微处理器、存储器芯片等都属于这一类。模拟集成电路

处理的信息是连续变化的物理量，如电压、电流、温度等。数模混合集成电路既包含数字电

路又包含模拟电路。过去几十年里通信和广播电视主要采用模拟器件，由模拟向数字化发展

是信息技术的重要趋势。信息只有数字化以后才能充分发挥微电子技术的巨大潜力。近几年

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