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硅芯片——信息社会的物质基础

 发布时间:2015年04月13日
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硅芯片——信息社会的物质基础

 

    现在,全世界有八成以上的人都在使用电脑。一枚小小的硅芯片,构成了电脑中神奇的万能大脑。当我们在电脑上尽情享受高清影片、游戏,或是处理文件中那个小小的万能大脑,都在进行每秒数亿乃至数十亿次的计算,又有多少人想过这个神奇的大脑是如何炼成的?

    硅存在于砂砾之中。一个芯片的制作,要经历极为复杂的制造工艺。要在全世界最洁净的芯片工厂中经过光刻、电镀、抛光等数百道工序,再历经切割、封装等过程,才能将砂砾转变成含有数亿个晶体管的处理器,这本身就是个奇妙的经历。

    当初,在研制集成电路时,根本没有想到当时只有在尖端科技中才能使用的芯片,50年后会走入多数人的家庭;更想不到,那庞大的运算能力,50年后会在一个小小的掌上装置就能实现。

    现在,使用22纳米制程技术、采用三栅极晶体管技术的微处理器——一个22纳米的晶体管,能在1秒钟内开关1000亿次。有人算过,如果一个人连续开关1000亿次电灯,大概要花费2000年的时间。

    在半导体材料的发展史上,没有什么比肖克利(Shockley,1910-1989)及其领导的科研小组发明的晶体管更具有色彩的光环。

    肖克利1910年生于英国伦敦,3岁随父母迁往美国加州。从事矿业的双亲从小给他灌输科学知识和方法,他如愿考入加州理工学院,后进入麻省理工学院,1936年获得博士学位留校任教。不久,他加入具有“全美最大发明工厂”之称的贝尔实验室,开始了晶体管的研究工作。1946年1月贝尔实验室成立固体物理研究组,组长是理论物理学家肖克利,副组长是物理化学家摩根,另外还有半导体专家皮尔逊、实验物理学家布拉坦、固体物理学家巴丁等。不久,他们的提纯工艺,能够用掺杂的方法控制半导体的导电类型,为制备高质量的半导体材料准备了条件。他们通力协作,互补长短,取得了骄人的成果。

    晶体管的发明实际上是在1947年的6月份,当时贝尔实验室已经看出了晶体管的商业价值,为写专利,他们保密了半年。到1947年12月23日,巴丁和布拉坦才正式公布了他们的发明,这也成为晶体管的正式发明日。肖克利是当时那个研究小组的组长,但是在发明专利上没有他的名字,他心里很不愉快。为此,在很短的时间内,即在第一个晶体管发明不久之后的1948年1月23日,他提出了一个不是点接触而是面接触式晶体管结构。后来证明这种结构才真正有实用价值。当时美国的许多真空管公司对半导体晶体管,不是非常感兴趣。但是学术界却对这项发明评价甚高,终于在1956年1月,肖克利、巴丁和布拉坦3人被授予了诺贝尔物理学奖。肖克利将他的成果带到加州,促使了仙童公司和英特尔公司的诞生,成为硅谷发展史上的一段传奇故事。

    最初,用于制造晶体管的材料都是锗。后来发现,锗不耐高温且易漏电,在这些方面,硅有着出色的性能,而硅又是地壳中含量排名第二的元素,极易获取。最终,硅取代了锗,成为制造集成电路的主要材料。

    1971年11月15日,英特尔公司研发出了4004——这是全世界第一款微处理器。4004的大小只三四毫米见方,却采用五层设计,10微米制程,内有2300个晶体管。这个比小指甲还小的东西,性能已经超越了此前IBM制造的体积有一张桌子大小的处理器的所以功能。在4004之后,伴随微处理器的不断演进,计算机的“大脑”不断“进化”,电脑在体积越来越小巧的同时,功能却越来越强大。现在,面积和4004大小相同的微处理器,集成的晶体管数量,已经达到了惊人的14.8亿个。

    统计显示,现在英特尔用32纳米科技制作的微处理器,与其1971年推出的第一款微处理器4004相比,速度提了5000倍,每个晶体管的能耗则降低了5000倍,同时,晶体管的价格下降了5万倍。你看,一粒砂砾最终打磨出含有数亿个晶体管的处理器。奇妙的磨砺!

    继人类历史上以运用材料工具为主的漫长的石器时代、铜器时代、铁器时代之后,一个高度文明的信息时代的到来是离不开硅砾制造成的芯片的。将一个电子系统集成在一块半导体硅芯片上可用于对信息进行采取、分析、处理、储存、传输和利用从1958年第一块硅半导体集成电路问世以来,硅芯片微电子技术不仅很快地实现了产业化,而且经历了小规模、中规模、大规模、超大规模、特大规模、巨大规模集成电路的发展阶段。这里,技术开发循看以小求大的规律:一方面用微米、亚微米、纳米等越来越小的加工尺寸描述芯片所能达到的水平;另一方面用超大、特大、巨大等词为集成度一代比一代高的芯片取名。在强劲的科技和旺盛的市场推动下,芯片微细加工精益求精。今后词典中恐怕难以找到更“大”的词来为新一代的芯片名了。

    信息时代的现代国家应有自己的信息基础,一要拥有装着无数芯片的由计算机、通讯机及各种电子设备组成的无缝网络,二要敷设容量十分庞大的光纤。构成用以传输光信号的光纤物成分是石英,即二氧化硅。它也是提炼超纯度半导体硅的原始材料。发射光信号由硅激光二级管担当。现在,硅激光管再也不那么神秘了,在日常生活中,从医院的治疗机到娱乐的CD唱机,它都扮演着重要的角色。目前除了太阳能充电器外已研制成功各种形式的硅电池群组供电的太阳能汽车、太阳能轮船、太阳能飞机。今后,利用太阳能硅电池的目标是:建立硅电站,缓解城市面临的能源短缺和环境恶化。硅由沙砾材料加工成产品,从多晶硅材料、单晶硅片到芯片,升值千百倍。别开生面的高附加值刺激相关工业的发展,如精细化工、机械制造、自动控制、仪器仪表、航空航天等领域的发展。由此看来,由沙砾磨砺的小小的硅芯片已经成为信息社会重要的物质基础。(市老科协  吴礼萍)

 


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