芯耀
529
導(dǎo) 讀
集成，integration，是指將不同的功能單元匯聚到一起，并能實(shí)現(xiàn)其特定功能的過(guò)程，集成電路、系統(tǒng)集成是比較常見(jiàn)的名詞。前面兩篇文章，分別從尺度和維度、層次和環(huán)節(jié)對(duì)電子集成技術(shù)做了深入的解析。在這篇文章中，我們從歷史（History）和未來(lái)（Future）兩個(gè)方面來(lái)解析現(xiàn)代電子集成技術(shù)。1936、1947、1958 是電子集成技術(shù)歷史上至關(guān)重要的三個(gè)年份。
集成的歷史
1936年，奧地利人保羅 • 愛(ài)斯勒（Paul Eisler）發(fā)明了世界上第一塊PCB，安裝在一臺(tái)收音機(jī)里面。
這塊看似簡(jiǎn)陋的PCB卻開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)時(shí)代，電氣互連（interconnection)的平面工藝時(shí)代，并對(duì)二十多年后出現(xiàn)的集成電路的平面工藝產(chǎn)生了啟迪式的影響。正是因?yàn)槠矫婀に?，集成電路才能不斷提高互連密度，并追尋摩爾定律步伐，走到今天的輝煌，遍布現(xiàn)代文明的方方面面。
愛(ài)斯勒當(dāng)時(shí)獲得了幾項(xiàng)關(guān)于蝕刻工藝的專(zhuān)利，蝕刻最終演變成眾所周知的光刻工藝，今天得到廣泛使用，是芯片制造中最為關(guān)鍵的技術(shù)。
在PCB出現(xiàn)之前，電子元器件之間的連接是依靠電線直接連接完成的，如下圖所示。
外行人都可以看出，這種依賴(lài)電線直接互連的方式，其密度是難以提升的。
而以平面工藝為基礎(chǔ)的PCB，其密度可以得到極大的提高，目前最先進(jìn)的PCB工藝，其布線密度已經(jīng)可以達(dá)到10um線寬/線距，也就是說(shuō)，在1mm的空間內(nèi)，可以排布50根金屬布線，說(shuō)的更直觀些就是金屬布線的寬度只有人類(lèi)頭發(fā)絲的1/5~1/10。
今天，PCB上的布線密度和組裝密度也逐漸趨于極限，多年來(lái)已沒(méi)有明顯的提升，并且受芯片封裝尺寸和引腳密度影響，PCB上的器件組裝密度也難以繼續(xù)提高。
人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界，必定是和自身相近的尺度開(kāi)始，人類(lèi)改造世界，也是為了自身服務(wù)，其創(chuàng)造的產(chǎn)品也必然和自身的尺度相適應(yīng)。
在電子集成技術(shù)的三個(gè)層次中，PCB的尺度最接近人類(lèi)自身的尺度。因此，PCB從誕生之初直到現(xiàn)在，依然在人類(lèi)世界中扮演著重要的角色。
1947
1947年是技術(shù)史一個(gè)非常重要的年份，因?yàn)檫@一年，晶體管被發(fā)明出來(lái)了。
晶體管神奇性在于，這是人類(lèi)發(fā)明的尺度可以不斷縮小而功能保持不變的功能單元，今天的晶體管其尺度僅為最初的百萬(wàn)分之一，而其功能竟然能神奇地保持不變，因此，這無(wú)疑是人類(lèi)科技史上最偉大的發(fā)明。晶體管是集成電路的基本單元，我們稱(chēng)之為功能細(xì)胞，沒(méi)有晶體管的發(fā)明，就不可能發(fā)明集成電路。晶體管發(fā)明9年后，貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利、巴丁、布拉頓三人，因發(fā)明晶體管同時(shí)榮獲1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
晶體管雖然很神奇，但比較脆弱，需要保護(hù)，因此在晶體管發(fā)明的同一年，電子封裝也出現(xiàn)了，其首要任務(wù)就是對(duì)晶體管進(jìn)行保護(hù)，并通過(guò)引線進(jìn)行晶體管內(nèi)部和外部的電氣連接，晶體管的發(fā)明同時(shí)也開(kāi)創(chuàng)了微電子封裝的歷史。今天，先進(jìn)封裝技術(shù)如火如荼，成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)，頭部廠商都在積極研發(fā)先進(jìn)封裝技術(shù)，從臺(tái)積電到三星，從Intel到AMD，從蘋(píng)果到華為...... 人們難以想象，一直作為配角的封裝，今天竟然也能站在舞臺(tái)的中央。究其原因，還是因?yàn)槠涔δ馨l(fā)生了重大的改變，電子封裝從原本的芯片保護(hù)、尺度放大、電氣互連三大基本功能，在進(jìn)化為先進(jìn)封裝后，增加了提升功能密度、縮短互連長(zhǎng)度、進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)三大新功能。
原本屬于邊緣技術(shù)的封裝在掌握了這三大獨(dú)門(mén)絕技之后，竟然可以號(hào)令武林，成為半導(dǎo)體江湖中的炙手可熱的門(mén)派。這就如同一個(gè)從窮鄉(xiāng)僻壤邊遠(yuǎn)鄉(xiāng)村長(zhǎng)大的孩子，通過(guò)努力學(xué)習(xí)，考進(jìn)了一所優(yōu)秀的大學(xué)，加上持續(xù)不懈地努力，掌握了先進(jìn)的技術(shù)+能力，終有一天脫胎換骨，并成就一番事業(yè)。是的，封裝的發(fā)展歷史竟然也是如此的勵(lì)志！
1958
杰克 • 基爾比身高兩米，性情溫和，是德州儀器一名工程師，他一直認(rèn)為作為功能單元的晶體管、電阻、電容等元器件可以在一塊芯片上制作出來(lái)，并為此做出了不懈的努力。
終于，在晶體管發(fā)明11年后的1958年，基爾比發(fā)明了地球上第一款塊IC集成電路，內(nèi)含5個(gè)元器件。
基爾比成功地實(shí)現(xiàn)了把所有元器件集成在一塊半導(dǎo)體材料上的構(gòu)想。
羅伯特 • 諾伊斯風(fēng)度翩翩，熱情四溢，并且富有遠(yuǎn)見(jiàn)，是一位科技界和商業(yè)界的奇才。他在基爾比的基礎(chǔ)上發(fā)明了平面工藝集成電路，使半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)由“發(fā)明時(shí)代”進(jìn)入了“商用時(shí)代”。
作為工程師，諾伊斯研究出二氧化硅擴(kuò)散技術(shù)和PN結(jié)隔離技術(shù)，并創(chuàng)造性地在氧化膜上制作出鋁連線，使元件和導(dǎo)線連接一體，從而奠定了集成電路的平面工藝、為工業(yè)大批量生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
我想諾伊斯一定是受了愛(ài)斯勒的啟發(fā)，將源于PCB上的平面工藝應(yīng)用到了集成電路上，從而奠定了集成電路大規(guī)模制造的基礎(chǔ)。
作為企業(yè)家，諾伊斯和摩爾一起創(chuàng)辦了兩家硅谷最傳奇的公司：仙童和英特爾。
基爾比因?yàn)榘l(fā)明集成電路而獲得2000年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，頒獎(jiǎng)詞中寫(xiě)到：集成電路的發(fā)明為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。諾伊斯1990年因?yàn)樾呐K病突發(fā)去世，從而與諾貝爾獎(jiǎng)無(wú)緣，基爾比在領(lǐng)獎(jiǎng)的時(shí)候說(shuō)，如果諾伊斯還活著，一定會(huì)和他一起分享諾獎(jiǎng)。有時(shí)候，人生的成功就在于你是否能被別人活得更久一些。
六十多年后的今天，一平方毫米的芯片上可以集成1億只以上的晶體管，單個(gè)芯片上的晶體管數(shù)量已經(jīng)達(dá)到數(shù)百億量級(jí)。
下圖依次是蘋(píng)果公司的M1，M1 Pro，M1 Max，M1 Ultra芯片。
M1 芯片擁有 160 億個(gè)晶體管，M1 Pro 擁有 337 億個(gè)晶體管，M1 Max 擁有 570 億個(gè)晶體管，M1 Ultra上的晶體數(shù)量多達(dá)1140億。
今天，我們用手指在手機(jī)上輕松點(diǎn)擊幾下，就能完成各種操作和任務(wù)，不由得感慨技術(shù)的的進(jìn)步，也由衷地感謝那些做出偉大發(fā)明的技術(shù)先賢們。
下面我們給出一張圖，比較全面地概括了電子集成技術(shù)發(fā)展的歷史：
粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的奠基人，已故物理學(xué)家史蒂芬 • 溫博格說(shuō)過(guò)：Learn something about the history of science, or at a minimum the history of your own branch of science.
了解一些關(guān)于科學(xué)的歷史，至少在你研究的領(lǐng)域要了解，就作為這篇文章前半部分的尾聲吧！
集成的未來(lái)
人類(lèi)既無(wú)法改變歷史，也難以掌控未來(lái)，那生命的意義又何在呢？答案或許就是：相信未來(lái)！那么，集成的未來(lái)會(huì)是什么樣子呢？
- 探尋最小的功能細(xì)胞
從集成電路發(fā)明以來(lái)，作為功能細(xì)胞的晶體管已經(jīng)縮小了近百萬(wàn)倍。功能細(xì)胞的逐步縮小，有沒(méi)有盡頭呢？我個(gè)人認(rèn)為，集成的盡頭是：原子。我們知道，硅基半導(dǎo)體，1nm³中包含50個(gè)硅原子，并以此推斷出7nm芯片中，單個(gè)晶體管包含的硅原子數(shù)量約為5000萬(wàn)個(gè)。隨著晶體管工藝尺寸的縮小，單個(gè)晶體管中包含的硅原子數(shù)量肯定會(huì)越來(lái)越少。那么，少到什么是盡頭呢？新型的晶體管，例如單原子晶體管，其最小結(jié)構(gòu)寬度僅為一個(gè)原子，通過(guò)操作單個(gè)原子來(lái)控制晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷。
據(jù)稱(chēng)，單原子晶體管的能耗將只有硅基晶體管的萬(wàn)分之一（1/10000），這對(duì)未來(lái)應(yīng)用是一個(gè)決定性的優(yōu)勢(shì)。
打個(gè)比方，如果以單原子晶體管為功能細(xì)胞的芯片成功量產(chǎn)，這就意味著，現(xiàn)在每天一充的手機(jī)，可能需要幾個(gè)月甚至幾年才充一次電，想一想，待機(jī)焦慮完全消失，充電寶成為歷史文物，這會(huì)是什么樣的使用體驗(yàn)？不過(guò)，我們需要注意的可就是如何保護(hù)自己的眼睛了！
放大一下我們的視野，針對(duì)人類(lèi)現(xiàn)有的文明來(lái)說(shuō)，文明的盡頭也是原子，如果打破原子，則必將帶來(lái)毀滅！
功能密度增長(zhǎng)的持續(xù)性
在新書(shū)《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》第一章中，我提出了功能密度定律（Function Density Law），作為摩爾定律失效后，對(duì)電子集成技術(shù)的一種預(yù)期。其內(nèi)容為：對(duì)于所有的電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，沿著時(shí)間軸，系統(tǒng)空間內(nèi)的功能密度總是在持續(xù)不斷地增大，并且會(huì)一直持續(xù)下去（For all electronic systems, along the time axis, the function density in system space is constantly increasing and will continue.）下圖所示為功能密度曲線，從曲線中我們可以看出，在電子集成技術(shù)發(fā)展的初期，電子系統(tǒng)的功能密度隨時(shí)間的變化是按照摩爾定律增長(zhǎng)的，其曲線呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。隨著摩爾定律的逐漸失效，其曲線逐漸平緩，但功能密度依然保持增長(zhǎng)。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，功能密度曲線是一條單調(diào)增長(zhǎng)的波動(dòng)曲線，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，在不同的歷史階段，其增長(zhǎng)的斜率是不同的，甚至在某些特定的區(qū)間，可以以指數(shù)規(guī)律進(jìn)行增長(zhǎng)。
摩爾定律的指數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律決定了其物理意義上的不可持續(xù)性，而功能密度定律則是可以長(zhǎng)期持續(xù)的。
由PPA進(jìn)化到PPV
今天，我們判定集成電路先進(jìn)性的重要標(biāo)志是單位面積內(nèi)集成的晶體管數(shù)量，在未來(lái)，判定的標(biāo)準(zhǔn)將變成單位體積內(nèi)集成的功能單位的數(shù)量。做集成電路設(shè)計(jì)，有一個(gè)很重要的指標(biāo)：PPA，分別指Power, Performance, Area。隨著摩爾定律的失效，實(shí)現(xiàn)PPA指標(biāo)也變得越來(lái)越難。因此，在后摩爾時(shí)代，PPA指標(biāo)將進(jìn)化成PPV指標(biāo)，即Power, Performance, Volume。判斷的標(biāo)準(zhǔn)也由單位面積變成了單位體積。這里我們所說(shuō)的Volume，通常是指系統(tǒng)空間，電子集成先進(jìn)性的判斷標(biāo)準(zhǔn)從單個(gè)芯片的面積變?yōu)檎麄€(gè)系統(tǒng)的空間。在前面的文章中，我提出了Cubic IC的概念，對(duì)未來(lái)的芯片形態(tài)做了預(yù)期。Cubic IC簡(jiǎn)稱(chēng)CIC，是一種新型的集成電路設(shè)計(jì)思路。
關(guān)于CIC詳細(xì)的解讀，請(qǐng)參考本公眾號(hào)前面的原創(chuàng)文章：集成電路設(shè)計(jì)的“新思路”，或許，未來(lái)的集成電路真的就是文中所描述的樣子。今天，我們無(wú)數(shù)次地探索、迷途、失敗和成功，將得到未來(lái)人們熱情、客觀、公正的評(píng)定。
作 者 新 書(shū)
新書(shū)《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》內(nèi)容涵蓋“概念和技術(shù)”、“設(shè)計(jì)和仿真”、“項(xiàng)目和案例”三大部分，包含30章內(nèi)容，總共約110萬(wàn)+字，1000+張插圖，約650頁(yè)。
