编程考古-计算机发展（下)

集成电路（Integrated circuit IC），通常被称为微芯片、计算机芯片或简称芯片，是一种小巧的电子装置，它将众多互连的电子元件，如晶体管、电阻器和电容器等集成于一小片半导体材料上，这通常是硅。这种微型化的技术被广泛应用于各种电子设备中，从个人电脑到智能手机，再到电视机，它们承担着处理数据和存储信息等多种功能。通过实现设备的小型化并增强其性能，集成电路对整个电子工业产生了深远的影响。

自20世纪60年代集成电路首次问世以来，随着半导体器件制造技术的持续进步，芯片在尺寸、速度以及容量方面实现了显著飞跃。如今，在一块与指甲大小相当的芯片上，可以容纳数十亿个晶体管，这一成就主要得益于工艺技术的革新，使得在相同的物理空间内能够安装更多的晶体管。这样的进展大致遵循了摩尔定律所预测的趋势——即集成电路上可容纳的晶体管数量大约每两年翻一番。因此，现代计算机芯片的处理能力已经达到了1970年代初期水平的数百万倍乃至数千倍之多。

Integrated circuit 集成电路

集成电路的概念最早可以追溯到1949年，当时德国工程师Werner Jacobi（西门子公司）申请了一项类似集成电路的半导体放大器件专利。该设计以三级放大器的形式布置在公共衬底上，展示了五个晶体管的布局。然而，直到1958年杰克·基尔比发明了第一块集成电路，这项技术才真正开始发展起来。

在集成电路发展的早期阶段，由于技术限制，每个芯片只能包含少量的晶体管，而低度集成也意味着设计过程相对较为直接。以今天的标准来看，当时的生产效率也相当低下。随着金属氧化物半导体（MOS）技术的发展，现在单个芯片上可以放置数百万甚至数十亿个MOS晶体管。这样的高密度集成需要更加精密的设计流程，从而催生了电子设计自动化（EDA）领域的发展。

尽管如此，一些简单的集成电路，例如小规模集成（SSI）和中规模集成（MSI）芯片，如7400系列TTL逻辑芯片，仍然在市场上广泛使用。这些芯片不仅用于维护老旧设备，还适用于只需要几个逻辑门的新应用。7400系列因其稳定性和可靠性成为了事实上的行业标准，并且至今仍在持续生产之中。这表明即使在高度集成化的今天，基本的逻辑功能模块依然具有其不可替代的价值。

Small-scale integration (SSI)小规模集成

第一个集成电路仅包含几个晶体管。包含数十个晶体管的早期数字电路提供了几个逻辑门，而早期的线性 IC（如 Plessey SL201 或 Philips TAA320）只有两个晶体管。从那时起，集成电路中的晶体管数量急剧增加。“大规模集成”（LSI） 一词最早由 IBM 科学家 Rolf Landauer 在描述理论概念时使用;该术语产生了“小规模集成”（SSI）、“中型集成”（MSI）、“超大规模集成”（VLSI） 和“超大规模集成”（ULSI） 等术语。早期的集成电路是 SSI。

SSI 电路对于早期的航空航天项目至关重要，航空航天项目有助于激发该技术的发展。民兵导弹和阿波罗计划都需要轻量级数字计算机来制造其惯性制导系统。尽管阿波罗制导计算机引领并推动了集成电路技术，但却是民兵导弹加速集成电路进入了大规模生产。

第一个应用 MOS 芯片是小规模集成 （SSI） 芯片。继 Mohamed M. Atalla 于 1960 年提出 MOS 集成电路芯片之后，最早制造的实验性 MOS 芯片是 Fred Heiman 和 Steven Hofstein 于 1962 年在 RCA 制造的 16 晶体管芯片。MOS SSI 芯片的第一个实际应用是 NASA卫星。

Medium-scale integration (MSI) 中等规模集成

集成电路开发的每个芯片上包含数百个晶体管的设备，称为“中等规模集成”（MSI）。MOSFET 缩放技术使构建高密度芯片成为可能。到 1964 年，MOS 芯片已经达到了比双极芯片更高的晶体管密度和更低的制造成本。

1964 年，Frank Wanlass 演示了他设计的单芯片 16 位移位寄存器，在单个芯片上具有当时令人难以置信的 120 个 MOS 晶体管。同年，通用微电子推出了第一款商用 MOS 集成电路芯片，由 120 个 p 沟道 MOS 晶体管组成。它是一个 20 位移位寄存器，由 Robert Norman 和 Frank Wanlass 开发。MOS芯片以摩尔定律预测的速度进一步增加复杂性，导致到1960年代后期，芯片上具有数百个MOSFET。

Large-scale integration (LSI) 大规模集成 

在相同的 MOSFET 缩放技术和经济因素的推动下，进一步的发展导致了 1970 年代中期的“大规模集成”（LSI），每个芯片有数万个晶体管。

用于加工和制造 SSI、MSI 以及早期 LSI 和 VLSI 设备（例如 1970 年代初期的微处理器）的掩模大多是手工制作的，通常使用红宝石胶带或类似材料。对于大型或复杂的 IC（如存储器或处理器），这通常由专门聘请的负责电路布局的专业人员完成，在工程师团队的监督下完成，工程师团队还将与电路设计人员一起检查和验证每个掩模的正确性和完整性。

1Kb RAM、计算器芯片和第一个微处理器等集成电路在 1970 年代初开始适量生产，晶体管数量不到 4,000 个。真正的 LSI 电路接近 10,000 个晶体管，于 1974 年左右开始生产，用于计算机主存储器和第二代微处理器。

Very-large-scale integration (VLSI) 超大规模集成

“超大规模集成”（VLSI） 是 1980 年代初从数十万个晶体管开始的发展，截至 2023 年，晶体管数量继续增长到每个芯片超过 5.3 万亿个晶体管。

Upper interconnect layers on an Intel 80486DX2 microprocessor die

需要多次开发才能实现这种增加的密度。制造商转向更小的 MOSFET 设计规则和更清洁的制造设施。国际半导体技术路线图 （ITRS） 总结了工艺改进的路径，此后又被国际器件和系统路线图 （IRDS） 所取代。电子设计工具得到了改进，使得在合理的时间内完成设计变得实用。更节能的 CMOS 取代了 NMOS 和 PMOS，避免了功耗的大幅增加。现代 VLSI 设备的复杂性和密度使得检查掩模或手动进行原始设计不再可行。相反，工程师使用 EDA 工具来执行大多数功能验证工作。

1986 年，推出了 1 兆位随机存取存储器 （RAM） 芯片，包含超过 100 万个晶体管。微处理器芯片在 1989 年突破了 100 万个晶体管大关，在 2005 年突破了 10 亿个晶体管大关。这一趋势在很大程度上有增无减，2007 年推出的芯片包含数百亿个存储晶体管。

VLSI技术的重要里程碑

• 1986年：推出了首款容量达到1兆位（即1,048,576比特）的随机存取存储器（RAM）芯片，这标志着单个芯片上集成了超过100万个晶体管。

• 1989年：微处理器首次突破了100万个晶体管的大关，标志着计算能力的一次飞跃。

• 2005年：微处理器中的晶体管数量达到了10亿级别，显示出了技术快速发展的步伐。

• 2007年：一些先进的芯片甚至包含了数百亿个用于存储的晶体管，进一步展示了半导体技术在短时间内取得的巨大进步。

VLSI技术不仅推动了个人电脑、智能手机等消费电子产品的性能革命，也是现代数据中心、人工智能以及物联网等新兴领域背后不可或缺的力量。随着技术的不断演进，未来VLSI将继续扮演着至关重要的角色，为我们的生活带来更多的创新与便利。

Manufacturing 制造业

半导体材料是现代电子工业的基石，其中单晶硅因其优异的电学性能而成为集成电路（IC）的主要衬底。自20世纪40年代和50年代起，从氧化铜到锗，再到如今广泛使用的硅，以及一些III-V族化合物如砷化镓，这些材料被系统地研究并应用于不同领域，比如LED、激光器、太阳能电池及高速集成电路。

CMOS 芯片的原理图结构，建于 2000 年代初期。该图显示了 SOI 衬底上的 LDD-MISFET，具有五个金属化层和用于倒装芯片键合的焊料凸点。它还显示了 FEOL （front-end of line）、BEOL （back-end of line） 和后端流程的第一部分。

在2000年代初期，CMOS芯片的制造采用了先进的平面工艺。典型的CMOS结构包括SOI（绝缘体上硅）衬底上的LDD-MISFET（轻掺杂漏金属-绝缘体-半导体场效应晶体管），具有多层金属化和用于倒装芯片键合的焊料凸点。整个生产流程分为前道工序（FEOL）、后道工序（BEOL）以及后续的封装步骤。

半导体IC的制造涉及几个关键的技术步骤：

• 光刻：通过光刻胶曝光和显影来定义电路图案。

• 沉积：使用化学气相沉积等方法将多晶硅、绝缘体或金属层沉积于基板之上。

• 蚀刻：去除不需要的部分以形成所需的图形。

• 掺杂：向半导体中引入杂质来调节其电气特性。

• 清洁：确保每一步骤后的表面洁净度。

随着技术的进步，更先进的FinFET或GAAFET晶体管结构开始取代传统的平面晶体管，特别是在22nm节点（Intel）或16/14nm节点之后，以实现更高的性能和更低的功耗。

截至2022年，建立一个现代化的半导体工厂可能需要超过120亿美元的投资，这反映了洛克定律——随着产品复杂性的增加，制造设施的成本也随之上升。这样的工厂通常具备以下特征：

• 大尺寸晶圆：直径可达300毫米，比普通餐盘还要宽。

• 纳米级晶体管：例如5nm工艺节点。

• 铜互连：用铜线代替铝线作为互连材料，以提高导电效率。

• 低介电常数（low-k）材料：用于减少信号延迟和功率损耗。

• SOI技术：利用绝缘体上硅增强器件性能。

• 应变硅：IBM采用的一种技术，称为直接对绝缘体的应变硅（SSDOI），可以进一步提升载流子迁移率。

• 多栅极设计：例如三栅极晶体管，提高了驱动电流能力并降低了泄漏电流。

IC可以通过两种主要方式生产：集成设备制造商（IDM）自行设计、生产和销售IC；或者无晶圆厂公司仅负责设计并将制造外包给专门的代工厂。IDM公司如英特尔和三星不仅拥有自己的生产线，还可能为其他企业提供设计和制造服务。相比之下，像Nvidia这样的无晶圆厂公司专注于IC的设计和市场推广，而将复杂的制造任务交由台积电（TSMC）这样的纯代工厂执行。

这种分工合作模式促进了半导体行业的快速发展，同时也推动了技术创新的步伐。

Packaging 封装

集成电路（IC）的发展历程中，封装技术扮演了至关重要的角色。最初的IC被封装在陶瓷扁平封装中，这种封装因可靠性和紧凑尺寸而受到军方青睐，并沿用多年。随着商业应用的需求增长，双列直插式封装（DIP）逐渐成为主流，它最初采用陶瓷材料，后来转为塑料，特别是甲酚-甲醛-酚醛树脂制成的封装。

到了1980年代，随着超大规模集成（VLSI）技术的进步，IC的引脚数量超过了DIP封装的实际限制，促使了引脚栅格阵列（PGA）和无铅芯片载体（LCC）封装的发展。同时期，表面贴装技术（SMT）开始兴起，SOIC（小外形集成电路）等封装形式以其更细的引脚间距、鸥翼形或J形引脚设计脱颖而出，相比同等DIP封装体积减少约30%至50%，厚度也减少了70%左右。

1970年代末期，苏联生产了一种MSI nMOS芯片，作为四芯片计算器组的一部分，展示了当时的技术水平。

1977 年制造的苏联 MSI nMOS 芯片，是 1970 年设计的四芯片计算器组的一部分

进入1990年代后期，塑料四方扁平封装（PQFP）与薄型小外形封装（TSOP）成为了高引脚数器件的首选封装方式，尽管高端微处理器仍偏好使用PGA封装。球栅阵列（BGA）封装自1970年代起就已存在，但倒装芯片BGA（FCBGA）直到1990年代才得以开发完善。FCBGA通过将芯片翻转安装并直接连接到封装基板上，而非传统的连线方式，实现了更高密度的I/O布局，即Area-I/O。BGA封装的一个显著优点是无需专用插座，然而一旦出现故障则更换起来更为复杂。

从2004年起，英特尔开始了从PGA向基板栅格阵列（LGA）及BGA的过渡，最后一个针对移动平台的PGA插槽于2014年发布。截至2018年，AMD在其主流台式机处理器上继续使用PGA封装，而在移动处理器上则采用BGA封装；对于高端台式机和服务器级微处理器，则选择了LGA封装。这些演变反映了不断追求更高性能、更小尺寸以及更好热管理的行业趋势

The first integrated circuits 第一款集成电路

在集成电路（IC）的历史上，一个早期且具有前瞻性的想法是开发小型陶瓷基板，也被称为微模块。每个基板上都包含一个微型元件，这些组件可以被集成并连接成二维或三维的紧凑网格。1957年，Jack Kilby向美国陆军提出了这个概念，并促成了短暂的微模块计划，这一计划类似于1951年的Tinkertoy计划。然而，随着研究的深入，Kilby提出了一个更加革命性的设计——集成电路。

1958年7月，刚刚加入德州仪器（TI）的Jack Kilby记录了他关于集成电路的初步构想，并于同年9月12日成功展示了世界上第一个工作的集成电路模型。在他1959年2月6日提交的专利申请中，Kilby将这种新设备描述为“一种半导体材料体...其中包含了所有电子电路的元素”。这项创新的第一个用户是美国空军。因他在发明集成电路中的贡献，Kilby于2000年荣获诺贝尔物理学奖。

Jack Kilby 的原始集成电路;全球首创。由锗制成，带有金线互连。

尽管Kilby的发明标志着集成电路时代的开始，但它并不是真正的单片集成电路。因为他的设计采用了外部金线进行连接，这限制了其大规模生产的可行性。大约半年后，即1959年，Fairchild Semiconductor公司的Robert Noyce发明了首个真正意义上的单片集成电路。Noyce的设计不仅更适用于量产，而且使用了硅作为基底材料，而非Kilby所用的锗。此外，Noyce利用了他的同事Jean Hoerni在1959年初开发的平面工艺来制造芯片，该工艺包括关键的片上铝互连线技术。正是基于Noyce的单片集成电路设计，现代集成电路得以发展起来。

罗伯特·诺伊斯 （Robert Noyce） 于 1959 年发明了第一个单片集成电路。该芯片由硅制成。

TTL integrated circuits TTL 集成电路

晶体管-晶体管逻辑（Transistor–transistor logic, TTL）是由James L. Buie在1960年代初于TRW Inc.开发的一种集成电路技术。从1970年代到1980年代初，TTL成为了主导市场的集成电路技术。

在那个时代，数十种不同的TTL集成电路成为了构建小型计算机和大型计算机处理器的标准组件。例如，IBM 360系列大型机、Digital Equipment Corporation（DEC）的PDP-11微型计算机以及Datapoint 2200桌面电脑等都是使用双极型集成电路来构建的，这些电路要么是TTL，要么是速度更快的射极耦合逻辑（Emitter-Coupled Logic, ECL）。TTL以其相对简单的设计、良好的噪声容限和适中的成本而闻名，这使得它在各种计算设备中得到了广泛的应用。尽管ECL提供了更高的速度，但TTL因其平衡了性能和功耗而成为许多应用的理想选择。

MOS integrated circuits MOS 集成电路

几乎所有现代集成电路（IC）芯片都是基于金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）构建的。1955年至1960年间，贝尔实验室发明了MOSFET，这一创新为制造高密度集成电路铺平了道路。与双极晶体管相比，MOSFET不需要复杂的p-n结隔离步骤，可以更容易地在芯片上相互隔离。Dawon Kahng于1961年强调了MOSFET在集成电路中的优势。IEEE里程碑列表中包括了1958年Jack Kilby的第一块集成电路、Jean Hoerni的平面工艺以及Robert Noyce于1959年的平面IC。

最早的实验性MOS IC是Fred Heiman和Steven Hofstein在1962年为RCA制造的一款含有16个晶体管的芯片。到了1964年，通用微电子推出了首个商用MOS集成电路，这是由Robert Norman设计的一个拥有120个晶体管的移位寄存器。到同年为止，MOS芯片已经超越了双极型芯片，在晶体管密度方面更高且制造成本更低。随着MOS芯片按照摩尔定律所预测的速度增长复杂度，至1960年代末期，单个MOS芯片上的晶体管数量已达到数百个，从而实现了大规模集成（LSI）。

1967年，贝尔实验室的Robert Kerwin、Donald Klein和John Sarace开发了自对准栅极（硅栅极）MOSFET，随后Federico Faggin在1968年于Fairchild Semiconductor开发出了第一款采用自对准栅极技术的硅栅MOS IC。这种技术成为所有现代CMOS集成电路的基础。MOS LSI芯片的应用促进了计算领域的发展，并为第一个微处理器奠定了基础。当工程师们意识到一个完整的计算机处理器能够集成在一个MOS LSI芯片上时，这导致了1970年代初微处理器和微控制器的诞生。在1970年代初期，MOS集成电路技术已经实现了单个芯片上超过10,000个晶体管的超大规模集成（VLSI）。

IC技术的进步与摩尔定律

IC技术的进步，特别是更小的特征尺寸和更大的芯片面积，使得每两年MOS晶体管的数量几乎翻一番，这一趋势被称为摩尔定律。最初Gordon Moore提出的是每年翻一番，但他在1975年调整了自己的预测，改为每两年一次。这种容量的增长被用来降低成本并增加功能。通常情况下，随着特征尺寸的减小，IC操作的各个方面都会得到改善。根据Dennard缩放定律（MOSFET缩放），每个晶体管的成本和功耗下降，而内存容量和速度则上升。由于性能、容量和功耗的提升对最终用户来说显而易见，因此制造商之间展开了激烈的竞争，以使用更加精细的几何结构来生产芯片。多年来，晶体管的尺寸从1970年代初的数十微米缩小到了2017年的10纳米，相应的单位面积晶体管数量增加了数百万倍。截至2016年，典型的芯片面积从几平方毫米到大约600平方毫米不等，每平方毫米最多可容纳2500万个晶体管。

第一个半导体路线图，由 SIA 于 1993 年发布。

 International Technology Roadmap for Semiconductors (国际半导体技术路线图)ITRS 路线图的最后一次修订于 2013 年发布。2013 年表格缩放结果背后的方法和物理原理在晶体管路线图投影中使用预测性全频带原子模型进行了描述，该模型涵盖了到 2028 年的 15 年内的双栅极 MOSFET。

International Roadmap for Devices and Systems设备和系统国际路线图 （IRDS）

国际设备和系统路线图 （IRDS） 是对电子设备和系统可能发展的一组预测。IRDS 成立于 2016 年，是国际半导体技术路线图的继任者。这些预测旨在实现学术界、制造商、设备供应商和国家研究实验室之间的协调工作。IEEE 将路线图的目标指定为：

• 通过生成具有 15 年视野的路线图，确定与设备、系统和所有相关技术相关的主要趋势

• 确定通用设备和系统的需求、挑战、潜在的解决方案和创新机会

• 通过合作活动（如相关的 IEEE 会议和路线图研讨会）鼓励全球范围内的相关活动