張興院長為《素質教育與前沿技術》做專題講座——“微電子--信息社會的基石”

2018年11月10日周六上午,北京大學軟件與微電子學院的張興院長為同學們帶來了“微電子-信息社會的基石”講座。通過介紹IPhone X的各硬件組成及成本為例,引入了微電子在通訊領域的重要性。微電子是各種計算機、通訊機及實現社會信息化的網絡的基礎,1946年世界上第一臺計算機ENIAC誕生,其包含18000個電子管,外型巨大,重量數噸。而現代計算機型小量輕、便于攜帶,其飛速發展離不開集成電路的小屏化。

講座內容主要分為以下八個部分。

一、微電子的概念

微電子是以集成電路為核心,將許多電子元件如晶體管、二極管、電阻、電容等集中在半導體晶片上構成的電路,是各種計算機、通訊機及實現社會信息化的網絡的基礎。1946年2月美國莫爾學院研制成功第一臺電子數值積分器和計算器,那是一個由18000個電子管組成,占地150平方米,重30噸的龐然大物。而現代計算機型小量輕、便于攜帶,其飛速發展離不開集成電路的小屏化?,F在手機萬億個電子管發生翻天覆地的變化,其他行業難以比擬集成電路的作用:小型化、價格急劇下降和故障率降低。

二、 微電子的重要性

以信息技術領域對信息的處理流程為例,微電子的重要性體現在獲取信息(微電子傳感器)、處理信息(中央處理器)、傳輸信息(射頻的集成電路)、存儲信息(存儲器)、加密信息(如U盾就是利用集成電路)等方面,整個過程硬件的核心和基礎就是微電子。軟件與微電子是電子系統的兩個方面,隨著計算機的發展。二者的界限越來越模糊,一些軟件的功能可以通過硬件實現,微電子信息社會的基礎,軟件是信息社會的靈魂。幾乎所有的傳統產業與信息技術結合,用電子信息技術進行智能改造,都可以使傳統產業重新煥發青春。

三、 微電子、集成電路、半導體概念辨析

半導體范圍最大,是制作微電子的材料;微電子包含集成電路,發光電極管,太陽能電池,光電子器件,敏感器件等等;其中集成電路是微電子產品中最重要的產品。

四、微電子的產業規模

全世界總產值三千多億美元。從2014年的數據來看,最大的微電子公司是英特爾公司,自他誕生之日起,就專職做微電子,在微電子領域遙遙領先第二大企業是三星,以做半導體存儲器為主。蘋果公司排在十四名。第二十三位的是中國大陸華為旗下的集成電路部門。

五、微電子的發展歷史

1947年12月23日第一支晶體管 NPN Ge 晶體管誕生,是微發展史上最重要的里程碑電子;

1958年美國德州公司杰克·基爾制造出世界上第一塊集成電路,包含12個器件,并于2000年獲得諾貝爾獎;

1962年CMOS技術在集成電路產業中的應用高達90%以上;

1967年非揮發存儲器的出現;

1968年單晶體管的出現;

1971年英特爾的大規模集成電路研制成功,標志著電子技術正式進入微電子時代。

六、摩爾定律

前摩爾時代(1965-1975):擴容為主,針對集成電路上的電子元件數量;

摩爾時代(1975-2011):擴容與縮減,縮小器件尺寸,增大芯片面積;

后摩爾時代(2011-):新結構、多樣性、擴容性,不再統一地提升或縮減。

最大問題:速度與功耗的矛盾,高性能與低功耗難以同時實現,低功耗問題成為制約摩爾定律發展的最重要瓶頸,微電子發展從尺寸驅動轉到功耗驅動。

七、微電子技術未來的發展趨勢

器件尺寸更小、器件功耗更低、與其他技術多樣性結合、技術原理更新。

八、我國微電子技術的發展歷史

我國微電子發展的兩個里程碑分別為:1956年北京大學、復旦大學、南京大學、廈門大學、吉林大學五校在北大聯合創建物理系半導體專業;1976年我國第一塊大規模集成電路誕生在北京大學;現如今我國的微電子技術飛速發展,主要集中在北京的微電子設計業、上海和無錫的微電子制造業、珠海的微電子應用業;國家對微電子技術非常重視且大力支持,有多個中長期規劃的科技專項,成立了國家集成電路產業發展領導小組及投資基金會;市場非常大并關系到國家的命脈,涉及的領域如數碼相機、攝像機、數字電視、無線通訊等,未來十年將是微電子技術飛速發展的黃金時代。

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張興簡介:

張興,北京大學信息科學技術學院教授、北京大學軟件與微電子學院院長,國家973項目首席科學家,中國電子學會半導體與集成技術分會副主任,中國計算機學會微機專業委員會主任,長期從事微電子科學技術的研究工作,研究方向為小尺寸MOS器件物理與結構、CMOS集成電路工藝與設計技術、新型納米半導體器件和集成電路。先后發表學術論文200余篇,申請發明專利100余項,曾獲國家技術發明二等獎、國家科技攻關重大成果獎等多項學術獎勵。