王水弟：集成电路的奥秘

 

王水弟北京市老党员先锋队总队科技科普服务团副团长

点此查看完整报告

点此查看视频专辑

点此浏览课件

在开讲前，我把今天讲座涉及的关键词列出来，第一个是集成电路，第二个是芯片。其实，芯片就是集成电路，是它的一种简称。第三个是管芯，第四个是晶体管，第五个是硅圆片，简称“硅片”。

一、手机里的秘密

手机，我想大家都非常熟悉，但大家有没有想过，手机里面到底有什么？今天，我们就“层层剖开”手机探寻其中的秘密。

如果拆开手机壳，我们首先看到的是一块电路板，以及电路板上的很多电子元件，而其中的一些黑色塑料方块就是集成电路（芯片）。这就是第一个和第二个关键词集成电路和芯片。

如图所示，电路板上的五个红点就是集成电路。也就是说，这部手机里有五个集成电路，或是五个芯片。

那么笔记本电脑呢，会有多少个集成电路？笔记本电脑要比手机复杂得多，集成电路的数量也多得多。

如图所示，图中红点所标示出来的就是集成电路，而且仅是电路板的一面，还都是面积比较大的。也就是说，另一面还有大大小小、许许多多的集成电路。

集成电路根据功能设计的不同、样式也各不相同，比如华为研发的用于5G通信的麒麟990芯片。

现在，我们知道了手机里有很多集成电路，那么集成电路里有什么样的秘密？

如图所示，我们把集成电路的塑料外壳拆下一个角，就会看到集成电路最关键的部分——管芯。这就是我们开篇提到的第三个关键词。除此之外，我们还会看到外壳引线和内部连线。通过外壳引线和内部连线将信号传输到管芯上。可见，一块集成电路就由这四部分组成。

那么接下来，我们来看看集成电路最关键的部分管芯里有什么？实际上管芯非常非常的小，需要在显微镜下才能看清楚。

如图所示，上方长方形图片就是管芯在显微镜下的图片，这是由几十张图片拼接而成的。但这复杂的结构，大家很难看清楚。那么，我把左上角的绿色方框处继续用显微镜放大，大家就看到了左下角的图片。图片中的白色方块就是管芯的引出端，中间是一些密密麻麻的线条。那么，这些线条是什么？我再把这部分放大。

如图所示，大家看到的这个绿色电路板，主要由集成电路生产最常使用的衬底材料硅制成。上面有非常多的白色方块和线条，也就是晶体管和金属连线。这就涉及第四个关键词晶体管。

那么，晶体管是什么？简单地讲，晶体管是用半导体材料（硅）做的可以放大电信号的元件。

如图，左边展示的是一种晶体管的结构，右边显示的是这种晶体管的符号。

那么，晶体管是由谁发明的？1948年，威廉·肖克利、约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿在经过多次失败之后终于实现了第一个半导体晶体管。三人也因此在1956年获得了诺贝尔物理学奖。

小结：我们通过把手机层层拆解，了解其中的电子元件，从电路板到集成电路，也就是芯片，再到集成电路最关键的部分管芯，以及管芯内部的晶体管和金属连线。可以说，手机里最重要的电子元件就是集成电路（芯片）。

 

二、什么是集成电路

1.集成电路的定义

刚才讲到，手机里最重要的电子元件就是集成电路。那么，集成电路到底是什么？

如图所示，1号和2号是两个普通的晶体管。刚才讲了晶体管的符号，现在就用这一符号来表示1号和2号晶体管，并按照一定规则把这两个晶体管连接起来。比如，1号晶体管有三个引出端，把其中两个连接起来变成一个，再把剩下的一个与2号晶体管的一个相连，变成一个共同的引出端。这样，连接起来的两个晶体管就有了四个引出端。然后，我们把它做在一片硅圆片上，制成管芯，再封装在一个外壳里，这就成为了一个电子元件，也就是集成电路。由此可见，集成电路有四个引出端。

由此，对于集成电路，我给大家介绍一个简单的定义。集成电路，就是把一定数量的晶体管，根据一定的规则连接在一起，做在一片硅圆片上，制成管芯，之后封装在一个外壳里。

如左边的集成电路设计图所示，图中有8个晶体管。它们根据一定的规则相互连接，做在一片硅圆片上，制成管芯，再封装在一个外壳里，就成了一个含有8个晶体管的集成电路。这比刚才讲到的2个晶体管的集成电路要复杂得多。

前文提到了华为研发的麒麟990芯片，那么，我们来猜一猜，这个集成电路里有多少个晶体管？别看它只有10mm×10mm大小，也就是成年人的指甲盖这么大，却包含了不止百万个的晶体管。到底有多少呢？约有103亿个。很难想象，在这么小的塑料外壳里竟然装有大约103亿个晶体管。后边，我会简单介绍这么多晶体管是怎么做在一片硅圆片上的。

2.集成电路的发明

刚才讲了，晶体管是在1948年发明的，那么在十年后的1958年，美国德州仪器公司的工程师杰克·基尔比发明了世界上第一块集成电路，并因此在2000年获得了诺贝尔物理学奖。

3.集成电路的用途

第一，集成电路是所有便携式电子产品的核心元件。在电子表、U盘、手机、笔记本电脑等便携式电子产品里必不可少的就是集成电路。可以说，没有集成电路，就无法生产这些电子产品。所以说，集成电路是所有便携式电子产品的核心元件。

第二，集成电路是现代信息技术的核心。物联网、云计算、大数据、人工智能等新兴技术的基础是什么？就是集成电路。如果没有强大的集成电路的支撑，我们一些世界领先的功能技术就无法实现。比如，麒麟990芯片的5G通信功能，汽车的自动驾驶技术等。

 

第三，集成电路是现代信息战争的基础。实际上，现代战争就是信息化战争。通俗地讲，就是电子战、信息战以及信息化武器等。

比如，机载预警雷达。传统的雷达装置都是设在地面，而现在，我们把它装在飞机上，同时配备一套复杂、严密的控制系统，使其在现代战争中发挥出更为突出的作用。

在传统战争中，凭借大量重型坦克、大炮，先进的轰炸机、航母等就能取胜。但是，现代战争则不同，通过信息干扰敌方雷达系统，使其通信系统瘫痪，从而助我方获胜。这就是电子对抗。

另外，现代化的武器装备中都有非常多的集成电路。比如，中国自主研发的巡航导弹，射程超过一万公里，通过精确制导系统等技术，可实现远距离，精准追踪、锁定、打击目标。而这些复杂技术，都离不开集成电路。

总之，集成电路产业是当下信息技术产业的核心，也是支撑国家经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。

4.集成电路的制作流程

要知道，集成电路的制作流程与沙子有非常紧密的关系。

龙芯三号，是中国科学院计算技术研究所自主研发的龙芯系列CPU芯片的第三代产品，是国内首款采用65纳米先进工艺、主频达到1GHz的多核CPU处理器。可大家知道吗，如此先进的龙芯三号，它的原材料竟来自沙漠里的沙子。怎么回事？

沙子的主要成分是二氧化硅，而硅正是制作集成电路的重要材料。因此，我们要把沙子中的硅先提炼出来，做成硅圆片，这就提到第五个关键词硅圆片，简称“硅片”。之后，在硅圆片上经过复杂工艺，加工制作晶体管和金属连线。这个金属连线是用铝线做的，它根据一定规则把一定数量的晶体管连接起来，这样就做成管芯。最后再把一个管芯装配在一个外壳里，一个集成电路就制作而成了。在这一过程中，这么多晶体管不是一个一个做的，而是一批一批完成的。

5.硅圆片的制作流程与工艺

刚才讲到，我们从沙子中提炼出纯硅。这时候的纯硅，外形像烧火的煤块，并不能直接制作管芯。所以，要把它熔铸成一个棒状，我称其为“硅棒”。一般情况下，硅棒的直径大小由硅圆片的直径而定。比如，我们要做300mm的硅圆片，那么就需要铸成直径比300mm大一些的硅棒。只有这样的硅棒才能加工制作出一片一片光滑、平整的硅圆片。然后，在硅圆片上通过反复生长薄膜、光刻、掺杂质、平坦化、刻蚀、电镀等一系列复杂工艺做出管芯。通常，一片加工好的硅圆片上能做出成千上万个管芯，我们把其中一个管芯封装在一块塑料外壳内，一块集成电路就做好了。可见，从纯硅、硅圆片、管芯到集成电路，要经过一套非常复杂的制作流程以及一系列高难度工艺加工才能完成。往往这样一套流程下来，耗时也是非常长的，短则几个星期，长则几个月。

最后，我用几句话来结束今天的内容：第一，集成电路非常深奥；第二，我国在集成电路领域里的技术还比较落后；第三，我国在集成电路技术领域里需要大量人才。因此，希望大家好好学习，争取攀登世界集成电路技术高峰，为我国集成电路产业发展贡献力量！

（根据宣讲家网报告整理编辑，

未经许可，不得印刷、出版，违者追究法律责任）

责任编辑：赵苇

文章来源：http://www.71.cn/2023/0117/1191116.shtml