1.1.2 集成电路发展简史

在晶体管出现之前，要实现电流放大功能只能依靠体积大、耗电量大、结构脆弱的电子管。1946年在美国诞生的世界上第一台电子计算机ENIAC，就是基于电子管构建的。如图1.1所示，ENIAC是一个占地面积170m2、重达30t的庞然大物。这台计算机里面的电路使用了18000个真空电子管，这些电子管非常不稳定，平均每隔15min就会烧坏1个。即便如此，其5000次/秒的计算能力，也是当年最快的运算速度。但是它的问题和缺点也是非常明显的，就是占地面积过大且无法移动。

图1.1 世界上第一台电子计算机ENIAC

基于以上背景，美国贝尔实验室的物理学家威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）开始探索可取代电子管的全固态电子器件。1947年12月，他们成功演示了第一个基于锗半导体的具备放大功能的点接触式晶体管。采用一个塑料楔块将两个距离很近的金接触点固定到了小块高纯锗表面上，一个接触点的电压调制了电流流向另一个点，从而使得输入信号放大至100倍。半导体晶体管历史博物馆陈列了世界上第一个晶体管，如图1.2所示。相比于电子管，晶体管在寿命、性价比、体积等方面的优势非常明显。晶体管的发明标志着现代半导体产业的诞生和信息时代的开启。

图1.2 世界上第一个晶体管

在晶体管发明后，很快就出现了基于半导体的集成电路的构想：如果能想办法把这些电子元器件和连线集成在一小块载体上，这样体积不就会大大缩小了吗？在那个时代，有很多科学家和技术人员都思考过这个问题，也提出过各种各样的想法。典型的如英国雷达研究所的科学家达默，他在1952年的一次会议上提出：可以把电子线路中的分立元器件集中制作在一块半导体晶片上，一小块晶片就是一个完整电路，这样一来，电子线路的体积就可大大缩小，可靠性大幅提高。这就是初期集成电路的构想，晶体管的发明使这种想法得以实现。

杰克·基尔比（Jack Kilby）和罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）在1958年和1959年分别发明了锗集成电路和硅集成电路。1958年12月，德州仪器的杰克·基尔比先在锗晶片上制造出三极管，然后在纯锗晶体中少量掺杂做成电阻，最后用反向二极管做出电容，再用细的金线将它们连成一个振荡器件，制成了世界上第一块锗集成电路（见图1.3）。一周之后，他又用同样的方法制作了一个放大器。然而，“细的金连线”并非是一个实用的生产方法，不容易进行大规模量产，被后来罗伯特·诺伊斯所发明的“金属蒸镀连线”方法所取代。

图1.3 杰克·基尔比发明的世界上第一块锗集成电路

在1959年，飞兆半导体的物理学家吉恩·霍尔尼（Jean Hoerni）为了解决台面晶体管的可靠性问题而发明了平面工艺。这个工艺的关键是用氧化层去保护pn结的表面而不受污染。这一发明使半导体发生了革命性的变化。平面工艺制造的器件不仅电性能更佳，使用氧化层使漏电流显著降低，这对于计算机的逻辑设计极为关键，还使得能够只从晶片的一面来制造一块集成电路的所有组成。

1965年，时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的戈登·摩尔应邀为《电子学》杂志35周年专刊写了一篇关于计算机存储器发展趋势的观察评论报告。他整理了一份观察资料，在他开始绘制数据时，发现了一个惊人的趋势：每个新的芯片大体上包含其前一代产品两倍的容量，每个芯片产生的时间都是在前一个芯片产生后的12个月内，如果这个趋势继续，计算能力相对于时间周期将呈指数式上升[3]。摩尔的评论报告，就是现在所谓的摩尔定律的最初原型。摩尔定律如图1.4所示。1975年，在国际电信联盟IEEE的年会上，摩尔将上述的12个月改为18个月，这一趋势一直延续至今。

图1.4 摩尔定律[3]

人们还发现摩尔定律不仅适用于对存储器芯片的描述，也精确地说明了处理能力和磁盘驱动器存储容量的发展。摩尔定律已成为许多工业对于性能预测的基础[4]。

现今，一个Intel Skylake处理器上约有17.5亿个晶体管，大小大概只有Intel 4004芯片的50万分之一。这17.5亿个晶体管全部运作起来，Skylake处理器的计算速度是4004芯片的40万倍。这样的指数增长速度是非常惊人的。如果从1971年开始，汽车和摩天大楼也以此速度发展，如今最高的车速将会是光速的十分之一；最高大楼的高度将达到地球距月球距离的一半。摩尔定律深刻影响了我们每个人的生活，如今全球有30亿人随身携带着智能手机，而每个手机的处理能力都比20世纪80年代房屋大小的超级计算机强大许多。无数的行业已经被数字化颠覆了，摩尔定律已经成为一种奋斗目标：研究人员全都希望科技每年都能更进一步。

“摩尔定律”不仅归纳了信息技术进步的速度，也对半导体技术的发展起了推动作用，让整个半导体工业体系，从芯片设计、芯片制造工艺和生产设备协调地向前推进。“摩尔定律”对整个世界意义深远，在摩尔定律应用的60年里，计算机从神秘不可近的庞然大物变成多数人不可或缺的工具，信息技术由实验室进入无数个普通家庭，因特网将全世界联系起来，多媒体视听设备丰富着每个人的生活。在回顾半导体芯片业的进展并展望其未来时，信息技术专家们认为，在近十几年“摩尔定律”可能还会适用。但随着晶体管电路逐渐接近性能极限，这一定律终将走到尽头[5]。半导体芯片的集成化趋势，推动了整个信息技术产业的发展，进而给千家万户的生活带来了变化。