1.1.3 发展特点和技术经济规律

集成电路从诞生到现在仅仅50余年的时间，它的发展带动信息社会的发展，成为国民经济发展强大的倍增器。其发展规律和主要特点为：

（1）集成度不断提高。集成电路的发展基本按照摩尔定律，即每隔3年，特征尺寸缩小30%，集成度（每个芯片上集成的晶体管和元件的数目）提高4倍。其中专用集成电路（ASIC）和存储器每1～2年其集成度和性能均翻番。图1.3给出了集成电路典型代表产品微处理器（MPU）和存储器集成度逐年发展的曲线，说明按摩尔定律发展的规律。

1971年制造出的第一块4位的微处理器芯片，单个芯片上集成有2.3k个晶体管。1981年生产的16位微处理器芯片集成度达到29k。图1.4分别给出了20世纪70年代Intel公司第一块微处理器芯片4004和90年代末的“奔腾”PⅣ微处理器芯片的版图，其集成的晶体管数从4004的2300个发展到PⅣ的4200多万个，足以说明微电子技术日新月异的变化和发展。同样，在70年代存储器的集成度为Kbit（103）规模，到80年代中期发展到 Mbit（106）规模， 1994年已研制出Gbit（109）规模的DRAM芯片。预计到2031年左右将达到1Tbit的集成度。随机逻辑电路由于结构复杂其集成度增长不像存储器那样快，大约每5年增长10倍。但是其发展速度也是相当惊人的。

（2）小特征尺寸和大圆片技术不断适应发展需要。目前直径为300mm圆片、特征尺寸为65～90nm的集成电路已经批量生产。表1.2给出了近年特征尺寸预测变化情况，说明在2000年前后技术发展明显有超前的趋势，但在2005年以后，技术发展基本与预期是一致的。伴随微细加工和大圆片技术发展，集成电路的技术发展如表1.3所示。

（3）半导体产品的高性能化和多样化。这些表现为容量、集成度和速度性能的迅速提高，以及功耗和工作电压性能的明显改善。

半导体存储器正继续围绕大容量、高密度和低压工作方向不断推进。4G DRAM采用了0.15μm微细加工技术，集成44亿个元器件，工作电压仅为2～2.5V。为了适应MPU高速化和多媒体应用的需要，除工艺方面进行改进外，还开发了同步DRAM（SDRAM）等新的结构技术，使其速度性能可与SRAM相当。

微处理器（MPU）是IC产品技术与市场竞争的焦点。随着系统性能要求的提高，开发高性能 MPU是必然的发展趋势和任务，尤其高速度已成为其发展的重点和方向。新型微处理器芯片主频可达3GHz，集成晶体管数达到2000～5000万个。从2005年以后，为了进一步提高芯片的处理能力和降低功耗，出现了多核的处理器并有了产品，其目的是克服仅仅依靠提高工作频率提高芯片处理速度（这样会增加芯片功耗，同时对芯片的功率有更高的要求）。目前，双核和四核的CPU已有产品，更新的多核处理器也有重大进展。图1.5是Intel公司的80核的CPU，浮点运算能力1.01TFloFs（每秒万亿次），相当于1万颗Pentium Pro运算能力。

产品多样化是增强市场竞争力，适应电子设备市场不断发展需要的重要途径。所以许多企业都十分重视新产品的开发和多种经营。近几年IC技术和市场竞争激烈，DRAM价格下跌急速，这种趋势更突出，因而在微电子产品市场上出现许多新的热点。如闪速存储器（FLASH）和铁电存储器（FRAM）可望成为非易失性存储器新的增长点。尤其FLASH近年发展很快，目前已批量生产16G产品，64G的产品正在开发中。由于其优异的性能而可能逐步取代EPROM和EEPROM等传统非易失性存储器，可能成为仅次于MPU的第二位产品。

此外，ASIC领域的FPGA/PLD，模拟IC和数模混合IC领域的通信电路等近年发展也比较活跃，以AD/DA转换器电路为代表的模拟集成电路是Si集成电路发展的典型代表，其发展趋势为高位和高速。同时，SiGe/Si和GaAs材料的AD/DA转换器电路已成为商品。

（4）微电子技术发展的多功能化。随着电子设备与系统的发展，特别是网络技术和多媒体技术的发展，传统芯片在速度性能和功能上已不能完全满足需要，所以，除提高速度性能外，实现单片上多功能化也是势在必行。多媒体芯片和系统集成芯片（SoC）的开发正是实现此目标的重要途径，也是这种技术发展趋势的反映。

从1995年开始，众多公司就涉足于多媒体芯片的设计和开发，有的公司把多媒体的设计融入传统的MPU芯片设计，有的则开发独立的多媒体芯片。发展迹象表明，具有较强的声音、三维图形、通信和图像处理能力的新型多媒体芯片将是未来芯片的主流。

被喻为21世纪重要技术之一的SoC近年已引起工业界的关注，并已成为IC技术发展的一个重要方向。特别是ASIC技术的进步，为SoC实现和发展提供了技术条件。目前已经有在同一芯片上集成DSP、MCU、DRAM、SRAM、FLASH和ROM等多功能的SoC。从发展来看，SoC今后将呈快速度发展的势头。

（5）化合物和宽禁带半导体的新发展。砷化镓器件仍然是当前主要的化合物半导体器件，但至今工艺远不如硅成熟，市场还很小。然而其优于硅的某些特性，以及能实现硅器件所不能完成的某些功能，故其重要地位十分突出，尤其在超高速、微波和毫米波领域发展较快，在军用半导体领域其地位不可动摇。材料工艺技术日趋成熟，砷化镓圆片直径已全面转向150mm，设计线宽达到90nm以下。今天，砷化镓技术最引人注目的市场是蜂窝电话、个人通信系统、局域网、卫星、宽带调谐器、汽车传感器和先进的空间系统。高速计算和光纤通信也需要大量高性能的砷化镓器件。可见，砷化镓半导体市场前景依然广阔。

在砷化镓日趋成熟之际，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和氮化铝（AlN）等为代表的新一代宽禁带半导体，近年的研究开发工作也取得突破性的进展，氮化镓和碳化硅已从材料研究进入器件应用阶段，SiC材料主要是在工作频率为3GHz以下，是移动通信的主要应用领域。氮化镓以其材料的固有优点在光电器件、高频和高温器件等方面备受青睐，所以被认为是一种可与砷化镓竞争的技术，是第三代半导体新技术，它的发展和应用可望把现有的微电子、光电子技术推进到新的阶段。氮化镓光电器件目前是半导体照明主要的LED器件，同时在3GHz以上的微波大功率器件方面具有独特的优势。

（6）多学科融合的微纳系统芯片将使微电子技术的应用得到进一步拓展。随着微电子技术的进一步发展，利用三维集成技术，未来可以使集成电路、传感器、微光机电系统，甚至生物芯片集成到同一个芯片上，实现多学科融合的微纳系统芯片。目前，这方面的研究有了明显进展，这是下一代微电子技术发展的又一重要方向，预示微电子技术的前景将更加广阔（图1.6是一个典型的微纳系统芯片结构）。