从1904年英国电气工程师发明人类历史上第一只电子管，到1946年美国贝尔实验室发明锗晶体管，再到1971年英特尔发明了世界上第一块集成了2000多个晶体管的大规模集成电路，如今一颗苹果M1 Max芯片基于台积电5纳米工艺集成了570亿个晶体管，集成电路技术是人类智慧结晶最典型的代表。

在复旦大学管理学院与复旦大学微电子学院日前联合主办的“瞰见对话科创人物系列论坛”上，复旦大学微电子学院副院长、教授、博士生导师闫娜科普了集成电路技术的发展历史、现状，以及未来趋势。

闫娜表示，过去20年，在由政府主导的大规模投入下，集成电路产业已形成由设计、工艺、封测、设备、材料等众多环节组成的较为完整的产业链。未来中国仍需继续加大集成电路产业的研发投入和人才培养力度，实现核心技术突破，推动集成电路实现跨越式发展。

以下由澎湃科技根据闫娜的上述演讲实录整理，带你一文读懂芯片的过去、现在、未来。

从电子管、晶体管到超大规模集成电路

所谓芯片，便是以集成电路为核心的电子技术，它是伴随着电子元器件小型化、微型化的发展而兴起。

1904年，英国电气工程师弗莱明·约翰·安布罗斯发明了人类历史上第一只电子管，即真空二极管。两年后，美国人德夫勒斯特又发明了第一个能够放大电信号的电子器件，也就是真空三极管。

电子管尤其是真空三极管的发明和应用拉开了现代电子学的序幕，在电子技术史上具有划时代的意义，这一发明堪称过去100年来改变世界的重大发明之一，为我们开启了电子时代的大门。

接下来就是晶体管的发明，1946年，美国贝尔实验室开始研究半导体。由肖克利、巴丁跟布拉顿组成的研究小组研制出了一个点接触型的锗晶体管，也可以理解为转换电阻，并因此共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖，为集成电路的发展奠定了坚实基础。

基于锗晶体管的发明，美国德州仪器公司青年工程师杰克·基尔比于1958年成功发明了全世界第一块锗集成电路，他也因为这一发明获得了2000年诺贝尔物理学奖。

此后50年多来，集成电路的集成度飞速发展。

以CPU芯片为例，1971年，英特尔发明了世界上第一块大规模集成电路，集成了2000多个晶体管，型号是4004CPU；30年后，英特尔在2002年发明的奔腾4处理器采用0.13微米的工艺，集成了5500万个晶体管；2012年，英特尔发布了集成14亿个晶体管的处理器CPU，采用22纳米工艺；2022年，苹果发布的M1 Utra芯片集成了1140亿个晶体管，这颗芯片由两颗芯片采用一定封装形式拼接而成。同时，英特尔也宣布，它的超级计算机芯片将拥有超过1000亿个晶体管。

人类最聪明的大脑就是一个先进的存储器，但除了大脑，我们还需要额外的存储介质。早期是印刷术，之后是光盘、磁盘，再到U盘、硬盘。早期32兆、64兆的U盘已经非常先进，现在可以看到32G、64G甚至更大的U盘存储器以及固态硬盘。

存储器芯片方面，1967年，知名半导体专家施敏博士在贝尔实验室发明了浮栅晶体管，这个浮栅晶体管逐步成为了闪存芯片的主流器件，并且创造了今天数百亿美元的闪存芯片市场。可以说，存储器芯片是份额最大的集成电路产品。基于闪存芯片30T容量的便携式硬盘，可以储存1000多万册书籍，相当于用一个硬盘可以随身携带一个大型图书馆。

总的来说，集成电路朝着速度更快、功耗更低发展，追求更高效地处理数据，存储量也更大。

衡量集成电路工艺水平的四大指标

实际上，集成电路的工作速度主要取决于晶体管的特征尺寸。晶体管的特征尺寸越小，该工艺所能够接受的极限工作频率越高，开关速度也越快，相同面积的晶片所能容纳的晶体管数目也就越多。也就是说，集成度越高，功能越强大。

摩尔定律是大家耳熟能详的一个定律，于1965年，集成电路刚刚发展了6年后，由戈登·摩尔提出。戈登·摩尔对当时各个公司芯片产品大量调研后，大胆提出了一个预测：集成电路上可容纳晶体管数目大约18-24个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。虽然现在发展时间有所增加，有可能需要30个月甚至更长，但集成电路的发展趋势目前大体仍然按照摩尔定律在进行。

描述集成电路工艺水平，有四个指标：

第一是特征尺寸，也就是人们经常说的集成电路工艺可以到28纳米、14纳米、7纳米、5纳米等。器件的特征尺寸从早期的微米级发展到现在的纳米级。一颗苹果M1 Max芯片，基于台积电5纳米工艺集成了570亿个晶体管。头发丝的横截面积大概8000平方微米，假设采用10纳米工艺，在这样一根头发丝的截面上可以制作出50万个晶体管，可见晶体管的尺寸有多小。

第二个是晶圆直径，也就是硅片尺寸。早期的硅片尺寸有4英寸、6英寸，现在是8英寸，主流的先进工艺则是12英寸。晶圆尺寸越来越大，每一个晶圆上能够制造的集成电路芯片数量也越多，芯片成本就会大大降低。

第三个指标是DRAM（动态随机存取内存）的容量，可以用每一个工艺DRAM的尺寸，它的栅间距、金属间距等来评估工艺发展水平。

第四个指标是晶体管密度，英特尔曾建议以逻辑晶体管的密度作为指标，同时加入扫描触发器、SRAM（静态随机存取存储器）单元规模等来评估集成电路的工艺发展水平，而不再单单以特征尺寸来评估，这就是晶体管密度的指标。

当摩尔定律发展到特征尺寸不能再缩小时，怎样提高集成电路的功能、性能、集成度？除了减少特征尺寸、增大硅晶圆面积之外，还有一个方式是采用先进的封装形式，比如2.5D封装、3D封装等。台积电的CoWoS封装技术，以及Chiplet等技术，都是封装技术上的突破。

集成电路产品种类及发展机遇

集成电路产品一般分为两类，一种是模拟产品，一种是数字产品。

模拟产品可以划分为光电器件、模拟器件、功率器件以及传感器件等。其特点是非尺寸依赖，不依赖于先进工艺，不需要3纳米、5纳米的工艺制造，往往使用一些较大的特征尺寸工艺就可以实现。模拟产品更多是工艺、器件、电路设计的反复迭代，电路对器件提出要求，器件又对工艺提出要求。

目前国内功率产业中，功率二极管是比较有竞争力的，硅基的MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）处于追赶阶段，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）则在高铁上实现了较好应用；第三代半导体正处于积极布局、快速发展的阶段。

总的来说，我们应该积极打破模拟芯片产品设计/系统、器件/架构、工艺/整合的领域界限，以全产业链整合的IDM（集芯片设计、制造、封测等多个环节于一体）形式积极发展半导体产业。目前全球领先的模拟芯片产品企业英飞凌、德州仪器都以IDM形式存在。

根据应用途径的不同，集成电路数字产品可分为三大类：处理器芯片、逻辑芯片和存储器芯片。其中处理器芯片又可以根据不同应用分为桌面存储、移动应用、图形处理、智能处理、微控制器等；逻辑芯片可以分为FPGA、基带处理芯片、网络芯片、密码安全芯片等；存储器芯片根据不同的存储器单元可以分为DRAM和Flash新型存储器。

每一种数字产品有自己的技术发展趋势。对于处理器芯片产品技术，随着摩尔定律逐渐放缓，特征尺寸的微缩接近极限，基于当前冯·诺依曼的处理器单核性能增长缓慢，新型计算架构、敏捷开发、异构计算、三维集成、光互联技术是主要研究方向。从2023年到2035年，单核性能提升非常有限，需要突破冯·诺依曼结构，最终才能实现技术和指标的突破。

从逻辑芯片产品的技术发展趋势来看，预计2020年到2035年，FPGA所使用的芯片工艺特征尺寸可以从28纳米下降到小于5纳米，逻辑单元的数量也会逐年增加，存储接口、存储速度、接口速度有望从20Gbps提升到100Tbps。智能终端的SoC除了CPU核逐渐增加以外，存储带宽将逐步增加。从5G到6G应用，基带芯片时延将越来越小，峰值数据率也越来越高。

对于存储器芯片，到2025年有望追平国际先进闪存芯片水平，DRAM的差距也将缩小到一代以内。

综上，集成电路数字产品目前面临两种机遇，一是技术驱动，二是需求驱动。所谓技术驱动，就是从计算架构来引领创新，包括三维集成、量子计算等。需求驱动是指现有的物联网、自动驾驶、人工智能的发展对于集成电路数字产品产生了非常大的需求，不同需求会驱动产生不同形态的新的集成电路数字产品，推动集成电路产业发展。

编辑/范辉