集成电路

集成电路（Integrated Circuit，IC）是在一块极小的硅单晶片上，利用半导体工艺制作许多晶体二极管、三极管及电阻等元件，并连接成能完成特定电子技术功能的电子电路。集成电路在计算机、通讯、汽车、家电等各个领域中得到广泛的应用，同时也是现代信息产业的基础，现已成为最具潜力与生命力的产业之一。

1947年12月23日，世界上第一只晶体管诞生，主要发明者是美国贝尔实验室的三位半导体物理学家：威廉·肖克莱（William Shockley）、沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）和约翰·巴丁（John Bardeen）。1958年基尔比将几个锗晶体管芯片粘在一个锗片上，并用细金丝将这些晶体管连接起来，形成了世界上第一块集成电路。与此同时，仙童半导体公司的诺伊斯（Robert Noyce）于1959年1月23日引进“平面工艺”进行金属互连。他们被确认为集成电路共同的发明人。这个时期，中国提出“向科学进军”的口号，中国国务院制定科技发展12年规划，将电子工业列为重点发展目标。中国科学院成立了计算技术研究所。为了培养电子工业人才，中国教育部集中中国5所大学的科研资源，在北京大学设立半导体专业。中国科学院半导体研究室，王守觉等人，研制成功中国第一批锗合金扩散高频晶体管，频率达到150MHz。

1960年诺依思用平面工艺制造出了第一块实用化的集成电路芯片。1961年仙童半导体公司推出了平面型集成电路。这个工艺是用磨得很平的硅片，采用“光刻”技术来形成半导体电路的元器件，如二极管、三极管、电阻和电容等。只要“光刻”的精度不断提高，元器件的密度也会相应提高，从而具有极大的发展潜力。因此平面工艺被认为是“整个半导体的工业键”，也是摩尔定律问世的技术基础。同年，中国科学院成立半导体研究所，同年组建河北半导体研究所，进行工业技术攻关。1962年由中科院半导体所，组建中国半导体测试中心。1963年中国中央政府组建第四机械工业部，主管中国电子工业。1962年，斯泰文·霍夫斯坦(Steven Hofstein和另一位青年工程师弗里德瑞克·海曼(FredericHeiman)研究的一个项目获得成功，他们希望能制出硅绝缘栅场效应管，可用于由成千上万只晶体管构成的电路。他们公布了他们共同研制的金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。年底，在2500平方密尔( 1密尔为千分之一英寸)的集成电路芯片上可以容纳十六只MOSFET，到了1963年，RCA制成了包容几百只这种器件的芯片。1965年时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的戈登·摩尔在写观察评论报告时，发现了每个新芯片大体上包含其前一个芯片两倍的容量，每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的18～24个月内。如果这个趋势继续的话，计算能力相对于时间周期将呈指数式的上升。这个趋势，就是之后的摩尔定律，该定律成为许多工业对于性能预测的基础。同年，上海华东计算技术研究所，与上海冶金研究所、上海元件五厂等单位合作，开始研制655型数字集成电路大型计算机，由陈仁甫（照片右侧）副研究员主持，重点攻克TTL集成电路。1969年在上海无线电13厂投产，定名TQ—6型计算机，每秒运算100万次，配备磁盘操作系统，语言编译程序。1968年，中国国防科委成立固体电路研究所（现中电集团24所），这是中国唯一的模拟集成电路研究所。同年上海无线电十四厂首家制成PMOS(P型金属-氧化物半导体）电路。拉开了中国发展MOS集成电路的序幕。

20世纪70年代初，英特尔公司制成4004微处理器系列。这只4位的4004就是第一个微处理器，它用P沟道MOS工艺制成，面积为150x110平方密尔。这种“类计算器”的产生，使MOS集成电路大获发展。1970年中国建成北京878厂主要生产TTU(配电变压器监测终端)电路、CMOS（互补金属氧化物半导体）钟表电路及A/D转换电路。同年建成上海无线电19厂，主要生产TTL、HTL数字集成电路，是中国最早生产双极型数字集成电路的专业工厂。1973年8月26日，中国第一台每秒运算100万次的集成电路电子计算机——105机问世，该计算机由北京大学、北京有线电厂、燃料化学工业部等单位协助研制成功。之后，北京大学物理系半导体研究小组，由王阳元等人，设计出中国第一批3种类型的（硅栅NMOS、硅栅PMOS、铝栅NMOS)1K DRAM动态随机存储器。1979年上海元件五厂和上海无线电十四厂，联合仿制成功8080八位微处理器（编号5G8080）。8080为美国英特尔公司在1974年推出的第2款CPU处理器，集成6000只晶体管，每秒运算29万次。之后因为洋跃进运动，为了控制宏观经济的严重混乱局面，压缩投资金额，中国中央一下子停建缓建了400多个大中型项目，1981年又停缓建了22个大型项目。20世纪80年代，超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）技术被广泛采用，可集成上千万个晶体管，提高了电子元器件的密度和性能。超大规模集成电路和射频芯片出世，移动通信蓬勃发展。随后人们将复杂的CPU功能简化，并与GPU结合，推出了适合于移动智能终端的APU。中国在同年代初也创办了许多相关工作部门，但由于中国中央政府全面停止对电子工业投资，各电子企业要自己去市场找资源。于是中国电子工业的技术升级全面停止。之后为了解决问题，电子工业部在厦门，举办集成电路战略研讨会，提出“531战略”。即“普及5μm技术、研发3μm技术，攻关1μm技术”，并落实南北2个微电子基地。南方集中在江浙沪，北方集中在北京。在政策扶持下，中国诞生了5家具有规模的国有半导体企业，从而慢慢走上正轨。20世纪90年代后，MEMS技术以半导体敏感器件和集成电路微细加工技术为基础而兴起，加上互联网和射频技术参与其中，使规定领域(包括地域)内特定目标物之间实现互联互通——物联网应运而生，并有望成为电子信息领域中规模最大的产业。1990年8月，中国国务院决定在“八五”计划，半导体技术达到1μm制程，决定启动“908工程”，总投资20亿元。1996年7月，欧美地区的33个国家正式签订《瓦森纳协定》，该协定的民用技术控制清单包括：电子器件、计算机、传感器等9大类。军用技术控制清单包括22大类。中国处于被禁运国家之列。到90年代末，中国微电子科技水平与国外的差距至少是10年。

到了21世纪，随着新材料和新工艺的应用，集成电路的发展取得了更大的进展。三维集成电路（3D ICs）和片上系统（System on Chip，SoC）技术成为集成电路的主流。三维集成电路采用多层芯片的垂直堆叠方式，大大提高了电子元器件的集成度。片上系统则将整个电子系统集成在一颗芯片上，具有高度的集成度和灵活性。新原理器件研究进展中最为深入的是石墨烯场效应晶体管。石墨烯是一种单层蜂巢晶体点阵上的碳原子组成的二维材料，载流子迁移率高达15000cm2/VS，热导率可达5000W/mk，均为硅材料的100倍以上。IBM在2010年2月研制出频率高达100GHz、栅极长度为240nm的石墨烯FET。之后，全球开展起对石墨烯基电子器件，特别是射频场效应管(RF-FET)的研究。提升了半导体原理器件的丰富度和灵活性。经过多年的产业更新迭代以及技术改造升级，半导体产业链条已经趋向于稳定和完整化。一条完整的集成电路产业链包括上游的材料和设设备行业，集成电路主体产业部分的设计业、制造业、封装测试行业以及下游产业，如车联网、人工智能、物联网、智能汽车以及可穿戴电子设备等新兴产业。全球集成电路产品市场规模及产业集聚集中度高。全球集成电路市场主要包括美国、欧盟、日本以及亚太地区，在产业集聚上美国、欧盟、日韩以及亚太地区，其中中国以及中国台湾地区也是产业集聚的重点区域。从产品区域来看，亚太地区一直是全球集成电路的最大市场，销售收入规模占古据全球集成电路市场半数以上。2018年亚太地区销售收入相当于0.66倍其他国家和地区的总和。在全球集成电路市场份额上，亚太地区、美国、欧盟、日本分别占比60.34%、21.97%、9.16%和8.52%。美国作为集成电路产业的技术领跑者在集成电路的增长率上较其他国家和地区来说也是遥遥领先的，在某种程度上美国集成电路的增长趋势代表着全球的整体趋势。全球集成电路市场自2011年开始放缓增长速度，增长速度由2010年的31.82%下降至0.40%，同比下降25.70%。直到2017年全球集成电路市场才逐步复苏，成为新一轮集成电路市场的增长拐点增速达到211.62%，其中美国增速为35.03%。2018年美国增长速度为16.39%，销售收入为1029亿美元。欧盟、日本集成电路销售收入分别为429.57亿美元，增速为12.13%和399.61亿美元，增速为9.20%。

集成电路覆盖范围非常广阔，几乎各行各业都有，如计算机系统、汽车工程、航天工程、生物医学工程等，同时，其在军事领域的应用也非常广泛，如直升机控制系统，各种终端设备等。人们生活中有很多设备也需要集成电路的支持，如手机、电脑等。MEMS(微机电系统)：在半导体制造技术基础上发展起来的新兴领域，当前主要应用在消费电子、汽车等领域。随着产品的不断成熟，航空航天、医学和工业领域的应用也逐渐普及。智能可穿戴终端：是指可直接穿在身上或整合到衣服、配件中，且可以通过软件支持和云端进行数据交互的设备。当前可穿戴终端多以手机辅助设备出现，其中以智能手环、智能手表和智能眼镜最为常见。工业机器人：从应用行业来看，工业机器人服务于国民经济行业，其中以3C制造业和汽车制造业在国产工业机器人销售总量中的占比最高。虚拟现实(Virtual Reality， VR)：是一种运用计算机仿真系统生成多源信息融合的交互式三维动态实景及动作仿真使用户产生身临其境体验的技术。人工智能(Artificial Intelligence， AI)：研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。通信设备：通信设备是用于实现通信功能的设备，例如手机、路由器、调制解调器等。在集成电路中，通信设备通常需要使用高速电路、射频电路等特殊电路，以实现高速传输和频率调节等功能。消费电子：消费电子是指消费者日常使用的电子设备，例如电视、音响、相机等。在集成电路中，消费电子通常需要使用低功耗电路、嵌入式系统等技术，以实现小尺寸、低功耗等要求。

医疗设备：医疗设备是用于医疗保健的设备，例如医疗仪器、医疗监测设备等。在集成电路中，医疗设备通常需要使用高精度、高可靠性的电路设计，以确保其准确性和安全性。汽车电子：随着汽车产业的快速发展，集成电路在汽车电子领域的应用也越来越广泛。汽车电子包括发动机管理系统、车身电子、车载信息娱乐系统等，常见的芯片有处理器芯片、传感器芯片、车载通信芯片等。集成电路的应用可以提高汽车的性能、安全性、便利性等。

设计公司：集成电路设计公司是集成电路产业链的重要环节，设计公司负责芯片设计、IP核设计、系统设计、版图设计、器件模型开发等。国内的集成电路设计公司包括、、展讯等。

制造厂商：集成电路制造厂商是集成电路产业链的核心环节，负责晶圆加工、封装测试等。国内的集成电路制造厂商包括、半导体、等。封装测试企业：封装测试企业是将芯片封装并进行测试的过程，包括封装工艺、测试技术等。国内的封装测试企业包括晶瑞集成、、华东电子等。设备供应商：集成电路产业链中的制造设备供应商包括半导体设备制造商、测试设备制造商等。国内的设备供应商包括、、金沙江等。材料供应商：集成电路产业链中的材料供应商包括半导体材料供应商、封装材料供应商等。国内的材料供应商包括、、等。

集成电路按照功能的不同分为数字电路设计、模拟电路设计、混合电路设计这3种设计方式。

数字电路设计：数字电路设计是设计和实现数字电路的过程，数字电路是用于处理数字信号的电路。数字电路设计通常包括逻辑器件（CPU、FPGA、CPLD）、存储器（RAM、ROM）、微处理器（MCU、DSP）。模拟电路设计：模拟电路(AnalogCircuit)设计是处理模拟信号的电子电路设计。自然界中绝大多数信号都是模拟信号，它们有连续的幅度值，模拟电路设计就可以对这样的信号进行处理的设计，比如可以通过模电设计出功放放大声音信号或者图像信号进行发送。模拟电路设计通常包括电源管理、射频、锁相环、放大器，常用的设计工具包括SPICE等。混合信号电路设计：混合信号电路设计是将数字电路和模拟电路相结合的设计过程，它通常包括数字信号处理、模拟信号处理、数据转换等方面，常用的设计工具包括Cadence等。特殊电路设计：特殊电路设计是一些特殊应用场景下的电路设计，例如功率放大器、射频电路、高速x电路、低功耗电路等，常用的设计工具包括ADS等。

小规模集成电路（SSI）：每片集成度少于100个元器件，又称为普通集成电路。中规模集成电路（MSI）：每片上集成度在100个到1000个元器件的集成电路。大规模集成电路（LSI）：每片上集成度在1000个到10万个元器件的集成电路。超大规模集成电路（VLSI）：每片上集成度在10万个到100万个的集成电路。特大规模集成电路（ULSI）：每片上集成度在100万个到1亿个的集成电路。巨大规模集成电路（GSI）：每片上集成度大于1亿个的集成电路。

可分为双极型集成电路，单极型集成电路，两者兼容型集成电路。双极型集成电路：双极型集成电路为空穴和自由电子两种载流子参与导电，制作工艺复杂，功耗较大，代 表集成电路有TTL， ECL，HTL，LST-TL和STTL等类型，如74LS系列集成电路。单极型集成电路：单极型集成电路只有多数载流子参与导电，制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电 路，代表集成电路有CMOS， NMOS， PMOS等类型，如CD4000系列、74HC系列集成电路。

膜集成电路：是在一块绝缘的基片上，用镀膜或印刷的方法将电路元件微缩在基片上，构成一定形式的电路。混合集成电路：是将膜集成电路和半导体集成电路工艺手段结合采用而制成的集成电路。混合集成电路具有拼凑方便等优点。半导体集成电路：它是在半导体材料(主要是硅)晶片上，利用所谓“平面工艺”方法制作各种有源或无源元器件，并组成一定的功能电路。

按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、用集成电路、通信用集成电路、照相机用集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电路、电源集成电路及各种专用集成电路。在集成电路生产企业，一般都是按照用途来分类的。

为特定应用领城或特定电子产品专门研制的集成电路，专用集成电路性能稳定、功能强、保密性好。目前应用较多的有: 门阵列(CA)，标准单元集成电路 (CBIC)，可编程逻辑器件( PLD)，模拟阵列和数字模拟混合阵列，全定制集成电路。

模拟集成电路的设计流程包括拓扑选择、电路参数设计、版图设计、制造和测试等步骤。模拟集成电路设计前期主要依靠手工完成，效率较低，模拟电路参数自动优化方法对于解放人力、降低时间成本具有重要意义。

半导体工艺是制造集成电路的关键技术之一。该工艺包括晶体生长、晶片制备、掩膜工艺等步骤。晶体生长是指制备单晶硅的过程，该过程通常采用Czochralski生长法或者区熔法。晶片制备包括化学气相沉积、物理气相沉积、化学机械抛光等步骤。掩膜工艺是利用光刻技术将芯片上的电路图案显影到硅片上的过程。

超净高纯试剂是超大规模集成电路制作过程中的关键性基础化工材料之一，具有品种多、用量大、技术要求高、贮存有效期短和腐蚀性强等特点，其纯度和洁净度对集成电路的成品率、电性能及可靠性均有十分重要的影响。高纯试剂制备的关键在于控制并达到其所要求的杂质含量和颗粒度。

化学机械抛光是一种用化学反应和机械摩擦相结合的方法来加工材料表面的技术。它通常被用于集成电路的制造过程中，以平滑晶圆表面并去除表面上的缺陷和污染物。化学机械抛光的优点是能够产生非常平滑的表面，但其缺点是过程的复杂性和成本较高。

溅射靶材制备：溅射沉积工艺，即在一定的真空环境下，利用荷能粒子轰击材料表面，使材料表面溅射出粒子并沉积在基底表面形成厚度均匀的薄膜，是制备薄膜的主要技术之一，而被轰击的目标材料称为溅射靶材。靶材的制备方法主要有熔炼铸锭法、粉末冶金法等。封装工艺：封装的目的主要是保护管芯，使其能稳定工作。封装方法有金属封装，塑料封装，陶瓷封装，玻璃封装等。在电路中得到广泛应用的是金属封装和塑料封装。光刻技术：光刻工艺（photolithography）是集成电路技术中使用最频繁和最关键的技术之一。随着芯片集成度的不断提高，晶体管的器件特征尺寸也随之缩小。这个技术有三个主要部分：光学系统，掩膜版技术及光刻胶，光刻技术也决定着制造工艺的先进程度。蚀刻工艺：与薄膜淀积技术相反的，刻蚀（etching）工艺的传统定义是将光刻工艺后未被光刻胶覆盖或保护的部分以或物理的方法去除，从而完成将掩模上的图形转移到薄膜上的目的。沉积工艺：在一定的衬底上，用溅射、氧化、外延、蒸发、电镀等技术制成绝缘体、半导体、金属及合金等材料的薄膜，薄膜的厚度在纳米和微米之间。薄膜的淀积方法通常指薄膜的增长过程与基地或衬底没有相互作用，即在衬底材料上叠加一层或几层其他的材料，没有改变衬底材料的厚度及晶向状态。清洗工艺：主要原理是通过有机复合化学或其他有机物理相互作用对各类新型工件材料产品内部表面化学污物分子进行有效氧化去除处理，实现工件产品内部分子中低浓度水平的各种固体化学污染物有效率的去除，一般分为化学反应清洗（ppe）和物理清洗（也叫溅射腐蚀）。封测工艺：传统的封装流程为来料检查－处理减薄－划片－上芯－压焊－塑封－电镀－打印－切筋成型和品质检查等。曝光技术：常用的曝光方式有接触式、接近式和投影式。其中投影式是最常用的投影式扫描步进（stepper，投影掩膜版mask，也称reticle）曝光系统，是目前集成电路生产最常使用的曝光方式。金属蒸镀：金属蒸镀是制作金属线路的过程，包括真空蒸镀、电镀等方法。分离技术：分离技术是用于从混合物中分离出所需成分的方法。在集成电路的制造中，分离技术通常用于从材料中分离出所需的或其他纯度较高的材料。一些常用的分离技术包括离心法、电泳法、过滤法等。改性与参杂工艺：改性与掺杂工艺不会改变衬底材料的厚度，只会改变材料的本身的性能。可以通过扩散和离子注入两种方式实现。

集成电路是半导体集成电路，即以半导体材料为基片，将至少有一个是有源元件的两个以上元件和部分或者全部互连线路集成在基片之中或者基片之上，再在其基础上通过扩散或者渗透的工艺方法让其形成N型、P型的半导体或者P-N结。让其在电路板上结合其他元器件一起来完成一些特定功能的电路模块。它们一般通过半导体材料所特有的电子空穴导电能了来进行通电，让电流通过半导体上的引线和引脚来进行输入或者输出电流信号，完成半导体集成电路的索要完成的特定功能。

集成电路是电子设备中最重要的部分，承担着运算和存储的功能。

数字集成电路的实现方式包含FPGA、ASIC，下文重点介绍FPGA的设计方法。FPGA (Field Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）具有性能好、规模大、可重复编程、开发投资小等优点，在现代电子产品中应用得越来越广。芯片设计通常分为正向设计与反向设计两大类。正向设计一般用来实现一个新的设计，而逆向设计是在解别人设计的基础上进行某种修改或改进。在这两大类中又可分为“自顶向下（TOP-DOWN）”和“由底向上（BOTTOM-UP）”的设计步骤。在FPGA设计中往往采用层次化的设计方法，分模块、分层次地进行设计描述。层次化设计方法比较自由，既可采用自顶向下的设计也可采用自底向上的设计，可在任何层次使用原理图输人和硬件描述语言HDL设计。传统的电路设计方法都是由底向上的，即首先确定可用的元器件，然后根据这些器件进行逻辑设计，完成各模块后进行连接，最后形成系统。而基于EDA技术的集成电路设计主要是自顶向下的设计方法，具体流程如下表。

利用FPGA技术进行数字逻辑系统设计的大部分工作是在EDA软件平台上完成的，其设计流程包含设计输人，设计处理、设计效验和器件编程，以及相应的功能仿真、时序仿真、器件测试。可编辑逻辑器件进行数字集成电路EDA设计的典型流程主要是设计输入，功能仿真，逻辑综合，布局布线，时序仿真和器件编程下载六步组成。

设计输入：其方式通常有两种，一种是HDL输入。几乎所有的设计软件都支持这两种语言的设计输人。HDL输入可移植性好、通用性好。但对于初学者来说，很难编写出恰当的语句来准确反映设计意图。另一种常用的输入方式叫原理图输入。它相对HDL输入直观，便于理解，元件库资源丰富。但移植性差，尤其在设计大规模电路时，这种方法的可维护性较差。功能仿真：是在不考虑器件延时的理想情况下仿真设计项目，以验证其逻辑功能的正确性，也叫前仿真。逻辑综合：是一个将高层次系统描述向低层次门级逻辑电路转化翻译的过程，即把设计输人的高级语言或原理图综合成底层软件可以识别的网表文件。现在使用最广泛的是EDIF（electronicdesigninterchangeformat，电子设计交换格式）网表文件。布局布线：在设计通过功能仿真被初步验证之后，根据所选用PLD的规格，将综合生成的网表文件转换为器件内部的宏单元、逻辑门之间的连线关系。时序仿真：在布局布线中可以获得比前仿真时更精确的RC参数，根据这些参数，在考虑具体适配器件的各种延时的情况下，用仿真软件再次验证电路的功能和时序，以确保在各种可能的条件下都能正确响应。这一步骤也叫后仿真。器件编程下载：通过仿真确认设计无误后，将文件编译成器件可以识别的二进制码并下载到芯片中。一个集成的EDA开发工具，（如Quartus和Vivado）应该能完成上述所有的流程，并能使用第三方软件（如ModelSim）帮助设计。

静态工作电流：是指集成电路信号输入引脚不加输入信号的情况下，电源引脚回路中的直流电流。通常会给出典型值，最大值，最小值三项指标。增益：指集成电路内部放大器的放大能力。通常标出开环增益和闭环增益两项，也会给出典型值，最大值，最小值三项指标。最大输出功率：指输出信号的失真度为恒定值时（通常为10%），攻放集成电路输出引脚所输出的电信号功率。一般也给出典型值，最大值，最小值三项指标。主要针对功率放大集成电路。

最大电源电压：是指可以加在集成电路电源引脚与接地引脚直流工作电压的极限值。使用时不允许超过此值，不然会损坏集成电路。允许功耗：指集成电路中所能承受的最大耗散功率。主要用于大功率集成电路。工作环境温度：指集成电路能维持正常运作的最高和最低环境温度。存储温度：指集成电路在存储情况下所能承受的最高和最低温度。

20世纪60-70年代，集成电路首先被应用于航天和军事。阿波罗11号登月成功和两次海湾战争中“芯片打败钢铁”是集成电路应用于航天和军事最成功的事例。1971年i4004(4位CPU)和1Kb DRAM(1K位动态随机存取存储器)两块集成电路的研发成功，催生了微处理机的出现，1980年IBM研制出第一代商用化PC，把世界推进到PC时代，形成了“互联网”，整个地球变成了“地球村”。李克强同志在第十三届中国人大一次会议《政府工作报告》中提到“推动集成电路、第五代移动通信、飞机发动机、新能源汽车、新材料等产业发展”，这无疑是把集成电路产业发展放在国家实体经济建设发展中的首要位置之一。