集成电路——社会信息化的“引擎”

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王阳元 《 人民日报 》（ 2022年05月13日 第20 版）

芯片和框架引线焊接。新华社记者 黄 伟摄

集成电路生产现场。郭俊锋摄（人民视觉）

信息时代，集成电路无处不在。大到航空航天、高铁船舶，小到手机电脑、智能手表，集成电路都是关键“部件”。甚至传统农业工业，也正在通过集成电路实现信息化、智能化。集成电路技术改变着人类的生产方式和生活方式，成为社会信息化的“引擎”，兼具经济价值和战略意义。

今天，集成电路关系到许多传统企业、新兴企业乃至行业的核心竞争力。比如在汽车领域，芯片在发动机控制系统（如点火、变速传动）、底盘控制系统（如转向、驻车）、智能驾驶系统（如摄像、雷达、驾驶员监控）、车身及舒适安全系统（如车门、灯光、座椅、气囊、空调、音响）、信息联网系统（如导航）等部分广泛应用，每部汽车约需要1000—2000块集成电路。普通乘用车中，汽车电子（包括集成电路和分立器件）成本占比已达40%，在纯电动汽车中更是达到65%以上。

2020年，国务院印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，力推集成电路产业高质量发展。“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出：“瞄准人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。”这8个领域均与集成电路相关，也深刻说明集成电路的研发、生产和应用是一项关键而复杂的社会工程。可以说，集成电路已经成为引领新一轮科技革命和产业变革的关键技术。

指甲盖大小的信息“航母”

集成电路是通过在半导体基片上制作晶体管、电阻、电容和导线等，控制电子在固体中的运动，并封装在外壳内执行特定电路或系统功能的电子器件。人们由其形貌，给集成电路取了一个更形象的名字：芯片。

手机、电脑、卫星、高铁、工业机器人中的集成电路类型千差万别，但都做着类似的事：信息的获取、存储、处理和传输。以集成电路与软件构成的信息中枢，已经融入当今人类生产生活的各个领域，成为构筑信息社会的基石。在抗击新冠肺炎疫情中，为更准确地进行流调，手机扫码成为生活中的常态，而手机的核心组件正是集成电路。

集成电路的主要基底材料，是地球上除氧之外含量最丰富的元素——硅。人们常见的砂石中，就含有硅元素。一块黑褐色的硅石片，看上去不起眼，但经过人们的创新设计和加工制造，便成为集成电路。它将人类的智慧与创造固化在硅芯片上，使用价值巨大，可谓“点石成金”。自1958年集成电路发明以来，随着设计和制作技术不断进步，单一芯片上集成的晶体管数，就处理器而言呈每24个月增长一倍的趋势，这就是著名的“摩尔定律”。现在，集成电路已经可以在单一芯片上集成上百亿个晶体管。

得益于集成电路，计算机技术突飞猛进。最初的电子管计算机，由约1.8万个电子管组成，占地150平方米，重30吨，耗电140千瓦，计算速度只有每秒几千次。如今，超级计算机计算速度可达每秒百亿亿次，并在生物医药、新材料研究、太空探索、基因测序、天气预报等领域发挥重要作用。在移动通信领域，得益于集成电路技术的快速进步，通信网络传输速率不断提高，第五代移动通信技术（5G）已经普遍应用。

集成电路不仅解决了信息处理的问题，还解决了信息的存储、获取和传输问题。半导体存储器在移动设备中已经取代磁盘存储器，手机、U盘可以随时存储或读取大量文件；半导体传感器解决了光影、力、磁、化学、生物等自然信号转变为电信号的问题，例如采用图像芯片可随时随地拍摄照片或视频；以集成电路为内核的互联网，使信息传输变得方便快捷，无论是汽车导航、网购商品还是数字支付，都已进入人们的日常生活。在集成电路构成的信息终端之间，无论何时何地，都可以进行声音、文字、图像、视频等信息的交换。

基础研究创新驱动的朝阳产业

集成电路产业飞速发展靠的是创新驱动，比如从平面到三维的器件结构创新，从硅材料到化合物半导体、碳基材料的创新，从紫外线光刻到极紫外光刻设备的创新等等。这些创新万变不离其宗，无一不是来自数十年的基础研究成果积累。

当前，集成电路已发展到“后摩尔时代”。不再仅以“每两年集成度提高一倍”为主要指标，而是以“降低功耗、提高性能功耗比”作为发展标尺。现在的集成度已达到一个指甲盖大小的芯片上，可以集成超过全世界人口数量（超70亿）的晶体管。每个晶体管都需要能源供给并散发热量，导致芯片能耗高，不利于广泛应用，比如手机出现发热问题。我们可以采用新原理、新材料、新工艺和新结构器件及其新型集成电路架构，降低单个晶体管的漏电流和电源电压，芯片静态功耗就会降低。对于更重要的动态功耗，不同集成电路功能不同，动态功耗各异，功耗降低以后可以再增加晶体管集成度，进一步提高性能。在“后摩尔时代”，集成电路技术有4个发展方向。

继续缩小尺寸。最初，集成电路加工尺寸为10微米，现在最先进的加工技术已达到10纳米以下。10微米是1纳米的1万倍，这相当于普通自行车车轮直径和一根头发丝直径的比例。加工尺寸越小，同样面积的硅片上就能容纳更多晶体管，从而处理更多信息；同时，加工尺寸越小，晶体管的栅长就越短，电信号在晶体管内以及晶体管之间的传输速度就越快。一般来说，加工尺寸为上一代工艺节点的0.7倍时，晶体管面积缩小50%，集成电路性能提升1倍。当集成电路进入2纳米技术代时，每平方毫米的硅片上可容纳3.3亿个晶体管。

将不同功能的芯片通过系统集成和三维封装等方式组合，以满足集成电路多功能应用需求。如将不同工艺、不同材料、不同功能的数字电路、存储电路、模拟电路、射频电路、高压电路、功率电路、驱动电路、传感器与执行器、生物芯片等封装在一起，形成一个多功能集成系统模块，进而组成一个全新的、完整的电子系统，以适应不同领域、不同场合的应用需求。这就相当于只用一个集成系统模块，就可以承担整个系统的功能，好比不同军种组合成一个集团军，以完成多样化任务。

器件结构革新。开发量子器件、单电子器件、石墨烯器件、仿生类脑器件等。晶体管是集成电路的核心器件，最初的晶体管是双极型结构，后来金属氧化物半导体器件诞生，成为主流集成电路器件结构。现在，平面的金属氧化物半导体器件结构变为三维的鳍形栅结构，并正向环形栅方向发展。每一次器件结构革新，都会带来集成电路技术重大进步。量子器件和单电子器件是晶体管工作原理上的革新，石墨烯器件是晶体管材料的革新，仿生类脑器件则是模拟神经元人脑突触的器件。这种革新为集成电路的创新应用提供更多可能，如仿生类脑器件将为人工智能网络的应用插上翅膀。

与其他学科结合，产生多种集成微纳系统。集成电路与其他学科具有十分广泛的交叉性，而交叉点往往是创新点。国务院学位委员会批准设立“集成电路科学与工程”一级学科时，就将其列为交叉学科中的第一个学科。集成电路与精密机械结合，诞生了微机电系统，例如硅陀螺，精度好、可靠性高，现已应用于汽车、飞机和船舶等，凡是需要导航的地方都可以应用；与生物学结合，诞生了可穿戴的、检测人们身体指标的各种芯片。

建立新形态信息技术科学和产业。这方面，手机的发展是典型案例。手机最初是通信范围有限的模拟式“大哥大”，之后是可以接打电话的数字式按键拨号手机，并有了汉字显示功能，屏幕由黑白转为彩色，触屏取代了实体按键，还进一步成为替代相机的随身工具。随着网络通信技术发展，手机获取和传输文字、声音、图像的速度，已经能够“手到擒来”。一部手机，在集成电路技术推动下，从“电话”变成了人们必备的智能信息中心。与之相关的网络购物、网络直播等新形态信息产业正在形成，与此同时，以信件、邮票、邮递员为主的邮电产业也在适应变化、升级迭代。未来，随着物理、化学、数学、生物学、计算机科学与软件等学科和相应技术的进步，集成电路将继续推动信息技术科学和产业创新发展，为人们工作生活带来更多便利和新的可能。

未来，集成电路将在更多维度和更大空间发展起来，前景广阔，信息化社会和数字时代需要这样的“引擎”。世上无难事，只要肯登攀。相信这一朝阳产业将从多维度、多方面推动我国信息化和数字化发展。

（作者为中国科学院院士、北京大学教授）

制图：赵偲汝

推荐读物：

《集成电路产业全书》：王阳元主编；电子工业出版社出版。

《“后摩尔时代”微纳电子学》：中国科学院、国家自然科学基金委员会编；科学出版社出版。

《微电子学概论（第三版）》：张兴、黄如、刘晓彦编著；北京大学出版社出版。