晶片

晶片

指內含積體電路的矽片,體積很小,常常是電腦或其他電子設備的一部分。

  • 中文名稱
    晶片
  • 英文名稱
    coreplate

基本介紹

積體電路(英語:integrated circuit, IC)、或稱微電路(microcircuit)、 微晶片(microchip)、晶片(chip)在電子學中是一種把電路(主要包括半導體設備,也包括被動組件等)小型化的方式,並通常製造在半導體晶圓表面上。前述將電路製造在半導體晶片表面上的積體電路又稱薄膜(thin-film)積體電路。另有一種厚膜(thick-film)混成積體電路(hybrid integrated circuit)是由獨立半導體設備和被動組件,集成到襯底或線路板所構成的小型化電路。本文是關于單片(monolithic)積體電路,即薄膜積體電路。

晶片晶片

分類

電晶體發明並大量生產之後,各式固態半導體組件如二極體、電晶體等大量使用,取代了真空管在電路中的功能與角色。到了20世紀中後期半導體製造技術進步,使得積體電路成為可能。相對于手工組裝電路使用個別的分立電子組件,積體電路可以把很大數量的微電晶體集成到一個小晶片,是一個巨大的進步。積體電路的規模生產能力,可靠性,電路設計的模組化方法確保了快速採用標準化IC 代替了設計使用離散電晶體。

IC 對于離散電晶體有兩個主要優勢:成本和性能。成本低是由于晶片把所有的組件通過照相平版技術,作為一個單位印刷,而不是在一個時間隻製作一個電晶體。性能高是由于組件快速開關,消耗更低能量,因為組件很小且彼此靠近。2006年,晶片面積從幾平方毫米到350 mm²,每mm²可以達到一百萬個電晶體。

第一個積體電路雛形是由傑克·基爾比于1958年完成的,其中包括一個雙極性電晶體,三個電阻和一個電容器。

根據一個晶片上集成的微電子器件的數量,積體電路可以分為以下幾類:

小規模積體電路

SSI 英文全名為 Small Scale Integration, 邏輯門10個以下 或 電晶體 100個以下。

中規模積體電路

MSI 英文全名為 Medium Scale Integration, 邏輯門11~100個 或 電晶體 101~1k個。

大規模積體電路

LSI 英文全名為 Large Scale Integration, 邏輯門101~1k個 或 電晶體 1,001~10k個。

超大規模積體電路

VLSI 英文全名為 Very large scale integration, 邏輯門1,001~10k個 或 電晶體 10,001~100k個。

甚大規模積體電路

ULSI 英文全名為 Ultra Large Scale Integration, 邏輯門10,001~1M個 或 電晶體 100,001~10M個。

GLSI 英文全名為 Giga Scale Integration, 邏輯門1,000,001個以上 或 電晶體10,000,001個以上。

而根據處理信號的不同,可以分為模擬積體電路、數位積體電路、和兼具模擬與數位的混合信號積體電路。

發展

最先進的積體電路是微處理器或多核處理器的"核心(cores)",可以控製電腦到手機到數位微波爐的一切。存儲器和ASIC是其他積體電路家族的例子,對于現代信息社會非常重要。雖然設計開發一個復雜積體電路的成本非常高,但是當分散到通常以百萬計的產品上,每個IC的成本最小化。IC的性能很高,因為小尺寸帶來短路徑,使得低功率邏輯電路可以在快速開關速度套用。

這些年來,IC 持續向更小的外型尺寸發展,使得每個晶片可以封裝更多的電路。這樣增加了每單位面積容量,可以降低成本和增加功能-見摩爾定律,積體電路中的電晶體數量,每兩年增加一倍。總之,隨著外形尺寸縮小,幾乎所有的指標改善了-單位成本和開關功率消耗下降,速度提高。但是,集成納米級別設備的IC不是沒有問題,主要是泄漏電流(leakage current)。因此,對于最終使用者的速度和功率消耗增加非常明顯,製造商面臨使用更好幾何學的尖銳挑戰。這個過程和在未來幾年所期望的進步,在半導體國際技術路線圖(ITRS)中有很好的描述。

越來越多的電路以集成晶片的方式出現在設計師手裏,使電子電路的開發趨向于小型化、高速化。越來越多的套用已經由復雜的模擬電路轉化為簡單的數位邏輯積體電路。

製造

從1930年代開始,元素周期表中的化學元素中的半導體被研究者如貝爾實驗室的William Shockley認為是固態真空管的最可能的原料。從氧化銅到鍺,再到矽,原料在1940到1950年代被系統的研究。今天,盡管元素中期表的一些III-V價化合物如砷化鎵套用于特殊用途如:發光二極體,雷射,太陽能電池和最高速積體電路,單晶矽成為積體電路主流的基層。創造無缺陷晶體的方法用去了數十年的時間。

半導體IC製程,包括以下步驟,並重復使用:

黃光(微影)

蝕刻

薄膜

擴散

CMP

使用單晶矽晶圓(或III-V族,如砷化鎵)用作基層。然後使用微影、擴散、CMP等技術製成MOSFET或BJT等組件,然後利用微影、薄膜、和CMP技術製成導線,如此便完成晶片製作。因產品性能需求及成本考量,導線可分為鋁製程和銅製程。

IC 由很多重疊的層組成,每層由圖像技術定義,通常用不同的顏色表示。一些層標明在哪裏不同的摻雜劑擴散進基層(成為擴散層),一些定義哪裏額外的離子灌輸(灌輸層),一些定義導體(多晶矽或金屬層),一些定義傳導層之間的連線(過孔或接觸層)。所有的組件由這些層的特定組合構成。

在一個自排列(CMOS)過程中,所有門層(多晶矽或金屬)穿過擴散層的地方形成電晶體。

電阻結構,電阻結構的長寬比,結合表面電阻系數,決定電阻。

電容結構,由于尺寸限製,在IC上隻能產生很小的電容。

更為少見的電感結構,可以製作晶片載電感或由回旋器模擬。

因為CMOS設備隻引導電流在邏輯門之間轉換,CMOS設備比雙級組件消耗的電流少很多。

隨機存取存儲器(random access memory)是最常見類型的積體電路,所以密度最高的設備是存儲器,但即使是微處理器上也有存儲器。盡管結構非常復雜-幾十年來晶片寬度一直減少-但積體電路的層依然比寬度薄很多。組件層的製作非常像照相過程。雖然可見光譜中的光波不能用來曝光組件層,因為他們太大了。高頻光子(通常是紫外線)被用來創造每層的圖案。因為每個特征都非常小,對于一個正在調試製造過程的過程工程師來說,電子顯微鏡是必要工具。

在使用自動測試設備(ATE)包裝前,每個設備都要進行測試。測試過程稱為晶圓測試或晶圓探通。晶圓被切割成矩形塊,每個被稱為“die”。每個好的die 被焊在“pads”上的鋁線或金線,連線到封裝內,pads通常在die的邊上。封裝之後,設備在晶圓探通中使用的相同或相似的ATE上進行終檢。測試成本可以達到低成本產品的製造成本的25%,但是對于低產出,大型和/或高成本的設備,可以忽略不計。

在2005年,一個製造廠(通常稱為半導體工廠,常簡稱fab,指fabrication facility)建設費用要超過10億美金,因為大部分操作是自動化的。

封裝

最早的積體電路使用陶瓷扁平封裝,這種封裝很多年來因為可靠性和小尺寸繼續被軍方使用。商用電路封裝很快轉變到雙列直插封裝(dual in-line package, DIP),開始是陶瓷,之後是塑膠。1980年代,VLSI電路的針腳超過了DIP封裝的套用限製,最後導致插針格線數組和leadless chip carrier(LCC)的出現。

表面貼的封裝在1980年代初期出現,80年代後期開始流行。他使用更細的腳間距,引腳形狀為海鷗翼型或J型。以Small-Outline Integrated Circuit(SOIC)為例,比相等的DIP面積少30-50%,厚度少70%。這種封裝在兩個長邊有海鷗翼型引腳突出,引腳間距為0.05英寸。

Small-Outline Integrated Circuit(SOIC)和PLCC封裝。1990年代,盡管PGA封裝依然經常用于高端微處理器。PQFP和thin small-outline package(TSOP)成為高引腳數設備的通常封裝。Intel和AMD的高端微處理器現在從PGA封裝轉到了land grid array(LGA)封裝。

Ball grid array(BGA)封裝從1970年代開始出現,1990年代開發了比其他封裝有更多管腳數的Flip-chip Ball Grid Array(FCBGA)封裝。在FCBGA封裝中,晶片(die)被上下翻轉(flipped)安裝,通過與PCB相似的基層而不是線與封裝上的焊球連線。FCBGA封裝使得輸入輸出信號陣列(稱為I/O區域)分布在整個晶片的表面,而不是限製于晶片的外圍。

套用

電腦晶片

如果把中央處理器CPU比喻為整個電腦系統的心髒,那麽主機板上的晶片組就是整個身體的軀幹。對于主機板而言,晶片組幾乎決定了這塊主機板的功能,進而影響到整個電腦系統性能的發揮,晶片組是主機板的靈魂。

晶片組(Chipset)是主機板的核心組成部分,按照在主機板上的排列位置的不同,通常分為北橋晶片和南橋晶片。北橋晶片提供對CPU的類型和主頻、記憶體的類型和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC糾錯等支持。南橋晶片則提供對KBC(鍵盤控製器)、RTC(即時時鍾控製器)、USB(通用串列匯流排)、Ultra DMA/33(66)EIDE資料傳輸方式和ACPI(高級能源管理)等的支持。其中北橋晶片起著主導性的作用,也稱為主橋(Host Bridge)。

生物晶片

與PCR技術一樣,晶片技術已經開展和將要開展的套用領域非常的廣泛。生物晶片的第一個套用領域是檢測基因表達。但是將生物分子有序地放在晶片上檢測生化標本的策略是具有廣泛的套用領域,除了基因表達分析外,雜交為基礎的分析已用于基因突變的檢測、多態性分析、基因作圖、進化研究和其它方面的套用,微陣列分析還可用于檢測蛋白質與核酸、小分子物質及與其它蛋白質的結合,但這些領域的套用仍待發展。對基因組DNA進行雜交分析可以檢測DNA編碼區和非編碼區單個鹼基改變、確失和插入,DNA雜交分析還可用于對DNA進行定量,這對檢測基因拷貝數和染色體的倍性是很重要的。

人腦晶片

幾十年來,科學家一直“訓練”電腦,使其能夠像人腦一樣思考。這種挑戰考驗著科學的極限。IBM公司的研究人員18日表示,在將電腦與人腦結合在一起的研究道路上,他們取得了一項重大進展。

這家美國科技公司研製出兩個晶片原型,與此前的PC和超級電腦採用的晶片相比,這些晶片處理資料的方式與人腦處理信息的方式更為接近。這兩個晶片是一項為期6年的項目取得的一項具有裏程碑意義的重大成就。共有100名研究人員參與這一項目,美國政府的國防高級研究計畫局(DARPA)提供了4100萬美元資金。IBM的投資數額並未對外公布。

兩個晶片原型提供了進一步證據,證明“平行處理”日益提高的重要性。平行處理具體是指電腦同時處理多個任務。多任務處理對渲染圖片和處理大量資料非常重要。迄今為止,這兩個晶片僅用于處理一些非常簡單的任務,例如操控一輛仿真車穿過迷宮或者玩《Pong》。它們最終走出實驗室並套用于實際產品可能需要10年或者更長時間。

日前,由瑞士、德國美國的科學家組成的研究小組首次成功研發出一種新奇的微晶片,能夠即時模擬人類大腦處理信息的過程。這項新成果將有助于科學家們製造出能同周圍環境即時互動的認知系統,為神經網路電腦和高智慧型機器人的研製提供強有力的技術支撐。

以前的類似研究都局限于在傳統電腦上研製神經網路模型或在超級電腦上模擬復雜的神經網路,而新研究的思路是:研發在大小、處理速度和能耗方面都可與真實大腦相媲美的電路。研究小組成員基爾克莫·因迪韋裏表示:“我們的目標是直接在微晶片上模擬生物神經元和突觸的屬性。”

做到這一點面臨的主要挑戰,是配置由人造神經元組成的網路,讓其能執行特定的任務。研究小組現在已經成功地攻克了這一“碉堡”,他們研發出一種被稱為“神經形態晶片”(neuromorphic chips)的裝置,能夠即時執行復雜的感覺運動任務,並借助這一裝置,演示了一個需要短期記憶力和依賴語境的決策能力的任務,這是認知測試所必需的典型特征。

研究小組把神經形態神經元與利用神經處理模組——相當于所謂“有限自動機”的網路相結合。有限自動機是一個用來描述邏輯過程和電腦程式的數學概念。行為可以表示為有限自動機,由此以自動化的方式轉給神經形態硬體。因迪韋裏說:“網路連線模式非常類似于在大腦中發現的結構。”

由于神經形態晶片可以即時處理輸入的信息並作出回應,有關專家認為這項技術將有望走向實用化,從而允許機器人在復雜環境中,在不受人類遠程遙控的情況下實現自動作業。

這項技術的採用還將有望在未來讓電腦能夠在有部件損壞的情況下繼續運作,就像人類的大腦那樣,每天損失數以百萬計的腦細胞,但是其整體的思維能力卻仍然繼續正常運轉。

歐盟、美國和瑞士目前正在緊鑼密鼓地研製模擬大腦處理信息的神經網路電腦,希望通過模擬生物神經元復製人工智慧系統。這種新型電腦的“大腦晶片”迥異于傳統電腦的“大腦晶片”。它能運用類似人腦的神經計演算法,低能耗和容錯性強是其最大優點,較之傳統數位電腦,它的智慧型性會更強,在認知學習、自動組織、對模糊信息的綜合處理等方面也將前進一大步。

不過也有人表示了擔憂:裝上這種晶片的機器人將來是否會在智慧型上超越人類,甚至會對人類造成威脅?

不少科學家認為,這類擔心是完全沒有必要的。就智慧型而言,目前機器人的智商相當于4歲兒童的智商,而機器人的“常識”比起正常成年人就差得更遠了。美國科學家羅伯特·斯隆日前說:“我們距離能夠以8歲兒童的能力回答復雜問題的、具有常識的人工智慧程式仍然很遙遠。”日大學部學家廣瀨茂男也認為:即使機器人將來具有常識並能進行自我復製,也不可能對人類造成威脅。值得一提的是,中國科學家周海中在1990年發表的《論機器人》一文中指出:機器人並非無所不能;它在工作強度、運算速度和記憶功能方面可以超越人類,但在意識推理等方面不可能超越人類。另外,機器人會越來越“聰明”,但隻能按照製定的原則綱領行動,服務人類、造福人類。

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