集成的歷史和未來

導 讀

集成，integration，是指將不同的功能單元匯聚到一起，并能實現(xiàn)其特定功能的過程，集成電路、系統(tǒng)集成是比較常見的名詞。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（Future）兩個方面來解析現(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)重要的三個年份。

集成的歷史

1936年，奧地利人保羅 • 愛斯勒（Paul Eisler）發(fā)明了世界上第一塊PCB，安裝在一臺收音機里面。

這塊看似簡陋的PCB卻開創(chuàng)了一個時代，電氣互連（interconnection)的平面工藝時代，并對二十多年后出現(xiàn)的集成電路的平面工藝產(chǎn)生了啟迪式的影響。正是因為平面工藝，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。

愛斯勒當時獲得了幾項關(guān)于蝕刻工藝的專利，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的PCB，其密度可以得到極大的提高，目前最先進的PCB工藝，其布線密度已經(jīng)可以達到10um線寬/線距，也就是說，在1mm的空間內(nèi)，可以排布50根金屬布線，說的更直觀些就是金屬布線的寬度只有人類頭發(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，多年來已沒有明顯的提升，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。

人類認識世界，必定是和自身相近的尺度開始，人類改造世界，也是為了自身服務，其創(chuàng)造的產(chǎn)品也必然和自身的尺度相適應。

在電子集成技術(shù)的三個層次中，PCB的尺度最接近人類自身的尺度。因此，PCB從誕生之初直到現(xiàn)在，依然在人類世界中扮演著重要的角色。

 1947 

1947年是技術(shù)史一個非常重要的年份，因為這一年，晶體管被發(fā)明出來了。

晶體管神奇性在于，這是人類發(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分之一，而其功能竟然能神奇地保持不變，因此，這無疑是人類科技史上最偉大的發(fā)明。晶體管是集成電路的基本單元，我們稱之為功能細胞，沒有晶體管的發(fā)明，就不可能發(fā)明集成電路。晶體管發(fā)明9年后，貝爾實驗室的肖克利、巴丁、布拉頓三人，因發(fā)明晶體管同時榮獲1956年諾貝爾物理學獎。

晶體管雖然很神奇，但比較脆弱，需要保護，因此在晶體管發(fā)明的同一年，電子封裝也出現(xiàn)了，其首要任務就是對晶體管進行保護，并通過引線進行晶體管內(nèi)部和外部的電氣連接，晶體管的發(fā)明同時也開創(chuàng)了微電子封裝的歷史。今天，先進封裝技術(shù)如火如荼，成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點，頭部廠商都在積極研發(fā)先進封裝技術(shù)，從臺積電到三星，從Intel到AMD，從蘋果到華為...... 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的中央。究其原因，還是因為其功能發(fā)生了重大的改變，電子封裝從原本的芯片保護、尺度放大、電氣互連三大基本功能，在進化為先進封裝后，增加了提升功能密度、縮短互連長度、進行系統(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門絕技之后，竟然可以號令武林，成為半導體江湖中的炙手可熱的門派。這就如同一個從窮鄉(xiāng)僻壤邊遠鄉(xiāng)村長大的孩子，通過努力學習，考進了一所優(yōu)秀的大學，加上持續(xù)不懈地努力，掌握了先進的技術(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，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個元器件。

基爾比成功地實現(xiàn)了把所有元器件集成在一塊半導體材料上的構(gòu)想。

羅伯特 • 諾伊斯風度翩翩，熱情四溢，并且富有遠見，是一位科技界和商業(yè)界的奇才。他在基爾比的基礎上發(fā)明了平面工藝集成電路，使半導體產(chǎn)業(yè)由“發(fā)明時代”進入了“商用時代”。

作為工程師，諾伊斯研究出二氧化硅擴散技術(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)打下了堅實的基礎。

我想諾伊斯一定是受了愛斯勒的啟發(fā)，將源于PCB上的平面工藝應用到了集成電路上，從而奠定了集成電路大規(guī)模制造的基礎。

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。

基爾比因為發(fā)明集成電路而獲得2000年的諾貝爾物理學獎，頒獎詞中寫到：集成電路的發(fā)明為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎。諾伊斯1990年因為心臟病突發(fā)去世，從而與諾貝爾獎無緣，基爾比在領獎的時候說，如果諾伊斯還活著，一定會和他一起分享諾獎。有時候，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，單個芯片上的晶體管數(shù)量已經(jīng)達到數(shù)百億量級。

下圖依次是蘋果公司的M1，M1 Pro，M1 Max，M1 Ultra芯片。

M1 芯片擁有 160 億個晶體管，M1 Pro 擁有 337 億個晶體管，M1 Max 擁有 570 億個晶體管，M1 Ultra上的晶體數(shù)量多達1140億。

今天，我們用手指在手機上輕松點擊幾下，就能完成各種操作和任務，不由得感慨技術(shù)的的進步，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：

粒子物理標準模型的奠基人，已故物理學家史蒂芬 • 溫博格說過：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)于科學的歷史，至少在你研究的領域要了解，就作為這篇文章前半部分的尾聲吧！

集成的未來

人類既無法改變歷史，也難以掌控未來，那生命的意義又何在呢？答案或許就是：相信未來！那么，集成的未來會是什么樣子呢？

•  探尋最小的功能細胞 

從集成電路發(fā)明以來，作為功能細胞的晶體管已經(jīng)縮小了近百萬倍。功能細胞的逐步縮小，有沒有盡頭呢？我個人認為，集成的盡頭是：原子。我們知道，硅基半導體，1nm³中包含50個硅原子，并以此推斷出7nm芯片中，單個晶體管包含的硅原子數(shù)量約為5000萬個。隨著晶體管工藝尺寸的縮小，單個晶體管中包含的硅原子數(shù)量肯定會越來越少。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)寬度僅為一個原子，通過操作單個原子來控制晶體管的導通和關(guān)斷。

據(jù)稱，單原子晶體管的能耗將只有硅基晶體管的萬分之一（1/10000），這對未來應用是一個決定性的優(yōu)勢。

打個比方，如果以單原子晶體管為功能細胞的芯片成功量產(chǎn)，這就意味著，現(xiàn)在每天一充的手機，可能需要幾個月甚至幾年才充一次電，想一想，待機焦慮完全消失，充電寶成為歷史文物，這會是什么樣的使用體驗？不過，我們需要注意的可就是如何保護自己的眼睛了！

放大一下我們的視野，針對人類現(xiàn)有的文明來說，文明的盡頭也是原子，如果打破原子，則必將帶來毀滅！

 功能密度增長的持續(xù)性 

在新書《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，對電子集成技術(shù)的一種預期。其內(nèi)容為：對于所有的電子系統(tǒng)來說，沿著時間軸，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)的功能密度隨時間的變化是按照摩爾定律增長的，其曲線呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢。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。

從長遠來看，功能密度曲線是一條單調(diào)增長的波動曲線，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)律進行增長。

摩爾定律的指數(shù)增長規(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期持續(xù)的。

 由PPA進化到PPV 

今天，我們判定集成電路先進性的重要標志是單位面積內(nèi)集成的晶體管數(shù)量，在未來，判定的標準將變成單位體積內(nèi)集成的功能單位的數(shù)量。做集成電路設計，有一個很重要的指標：PPA，分別指Power, Performance, Area。隨著摩爾定律的失效，實現(xiàn)PPA指標也變得越來越難。因此，在后摩爾時代，PPA指標將進化成PPV指標，即Power, Performance, Volume。判斷的標準也由單位面積變成了單位體積。這里我們所說的Volume，通常是指系統(tǒng)空間，電子集成先進性的判斷標準從單個芯片的面積變?yōu)檎麄€系統(tǒng)的空間。在前面的文章中，我提出了Cubic IC的概念，對未來的芯片形態(tài)做了預期。Cubic IC簡稱CIC，是一種新型的集成電路設計思路。

關(guān)于CIC詳細的解讀，請參考本公眾號前面的原創(chuàng)文章：集成電路設計的“新思路”，或許，未來的集成電路真的就是文中所描述的樣子。今天，我們無數(shù)次地探索、迷途、失敗和成功，將得到未來人們熱情、客觀、公正的評定。

作 者 新 書

新書《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》內(nèi)容涵蓋“概念和技術(shù)”、“設計和仿真”、“項目和案例”三大部分，包含30章內(nèi)容，總共約110萬+字，1000+張插圖，約650頁。