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张兴主讲才斋讲堂第八十八讲:微电子——信息社会的基石
日期: 2014-11-18  信息来源: 新闻网记者 陈圆圆

11月13日,北京大学信息科学技术学院教授、软件与微电子学院院长张兴主讲才斋讲堂第八十八讲,向学生们深入浅出地介绍了微电子的概念及发展历程、微电子在推进信息社会发展起到的重要作用以及我国、北京大学微电子技术发展的状况。北京大学研究生院副院长高岱担任讲座主持。

信息技术的领域主要有信息获取、处理、传输交换、存储以及信息的随动执行和应用几个环节,而微电子技术在其中起到核心和基础的作用。“微电子是信息技术的基石,软件是信息技术的灵魂。软件与微电子一软一硬,互相配合,密不可分。”张兴先从微电子在国民经济中的重要性讲起,解释什么是微电子。他介绍说,世界上从事微电子的公司主要有Intel、高通、三星等,微电子典型产品则有CPU、DSP、存储器、FPGA等。简单来说,微电子就是将电子做到微型化,一个指甲盖大小的面积能够容纳几百万个电子管,当今世界上最小的集成电路仅有16纳米。“对微电子技术而言,别说是在头发丝上刻一首唐诗,就是写一篇短篇小说也是易如反掌。”据他介绍,制作微电子的主要材料是硅,近几年兼具金属、绝缘体与半导体特性的碳材料也是热门,但暂时无法达到大规模的集成制作,因此短时间内无法替代硅。

张兴主讲“微电子——信息社会的基石”

微电子在推进信息科学技术及信息社会快速发展过程中起到至关重要的作用。具体来讲,首先信息技术对传统产业有着渗透与带动作用,几乎所有传统产业都在谋求与信息技术融合,使用电子信息技术重新焕发生机,提升附加效应。在这方面我国做出了大量实践,譬如使用半导体照明对白炽灯进行高效能改造,通过加工传统机床装备更新换代为数控机床等。张兴指出,微电子技术发展迅速,很大一部分源于它在寻找自己的应用领域上的成功。其次,在国家安全与国防建设方面微电子也扮演着指标性角色。曾有人戏称:“你们说中关村是硅谷,但是一个无‘芯’的硅谷,产品不可能有竞争力。”在信息化社会的今天,微电子产业的发展规模和科学技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。

要想了解微电子科学技术发展历史上的几大里程碑,就必须从了解1947年12月23日世界上第一个晶体管诞生开始,这一事件拉开了微电子技术的序幕。美国硅谷的发展史始于上世纪50年代史称“八叛逆”的八位青年才俊创建的仙童半导体公司。仙童开启了整个硅谷的辉煌,称得上硅谷的黄埔军校,在微电子历史上留下了重要的一笔。1958年第一块集成电路的诞生,在微电子发展史上起到了助推器的作用。随后,1962年Wanlass发明了CMOS技术,1967年Kahng与S.Sze发明了非挥发存储器,1968年Dennard发明了单晶体管DRAM……2003年后,新材料与新结构的引入又给微电子学科带来一个新的发展活跃期。

张兴特别展示了一张著名的照片——1927年召开的第五次索尔维会议物理学家合影——这张合照号称汇集全球三分之一智慧。他认为,学术研讨对于科学家碰撞出火花并产生灵感弥足珍贵,“微电子学科自诞生距今才67年,非常年轻,但现在已经没有人离得开这门技术。”

微电子技术发展到今天将何去何从?张兴认为其最大的瓶颈是功耗问题,此外还有器件漏电、互连延迟、集成技术等关键部分需要突破。“设计集成电路与画画很相似,孩童涂鸦随处可得,但大师作品难以寻见。”他强调,突破与跨越需要建筑在基础科学理论的突破上,谁能够早日取得突破性成果,谁就会掌握发展的主动权,解决以上问题基本要靠新的器械材料的引入。他认为微电子技术的发展趋势主要为沿着小、多、新、大这四个方向拓展。微电子技术60多年来基本遵循戈登•摩尔提出的摩尔定律,特征尺寸继续按比例缩小。除此之外,集成电路将更多样化,发展为系统芯片(SOC),并与其它技术结合,例如MEMS/DNA芯片。此外,还可以发明新的、可大规模集成的基础器件,或者扩大应用范围,譬如制作有机半导体。张兴深信:“通过四个方向的拓展,微电子技术将在未来相当长时间内保持活力;但无论如何发展,集成是其关键。”

张兴接着谈到了我国及北大微电子学的历史沿革与发展状况。北京大学微电子学系有着源远流长的学术渊源,发展历史可以追溯到1956年由著名物理学家黄昆院士在北大物理系创建的我国第一个半导体专门化研究机构。我国微电子产业起步早,但早期发展不快,直到21世纪才进入高速发展时期,投资额成倍增长,企业欣欣向荣。尽管如此,我国微电子生产仍然远远满足不了需求,集成电路早就成为我国的大宗进口商品。张兴指出,我国是名符其实的微电子消费大国,正在向制造大国迈进,但距离研发强国路途漫漫,缺少自主知识产权是这一问题的核心所在。

张兴最后用一幅图来展示人类几千年来历经石器时代、铜器时代、机械工业时代,到今天已经进入硅器时代。他充满感情地总结道:从历史上来说,没有微电子就没有今天的信息社会;从今天来说,没有芯片的信息技术是没有心脏的信息技术;硅技术至少在今后50年仍会保持高速发展——基于以上,微电子技术在现在和未来一段时间,将一直扮演基石的角色。

讲座最后,张兴及学生们就和平利用微电子、微电子技术的社会影响、印度微电子产业的发展等问题进行了交流。

 

张兴简介:

张兴,北京大学信息科学技术学院教授、北京大学软件与微电子学院院长,国家973项目首席科学家,中国电子学会半导体与集成技术分会副主任,中国计算机学会微机专业委员会主任,长期从事微电子科学技术的研究工作,研究方向为小尺寸MOS器件物理与结构、CMOS集成电路工艺与设计技术、新型纳米半导体器件和集成电路。先后发表学术论文200余篇,申请发明专利100余项,曾获国家技术发明二等奖、国家科技攻关重大成果奖等多项学术奖励。

 

编辑:舍予


   
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