时代芯存 半导体科普系列——集成电路发展简史

集成电路发展简史



      近年来，集成电路市场销售占比超过半导体市场的80%， 超过三千二百亿美元。集成电路的诞生可以追溯到1947年，美国贝尔实验室的三位科学家发现了锗芯片中的电流放大作用的晶体管效应，并发明了晶体管。1958年，美国德州仪器公司工程师基尔比将几个锗晶体管芯片粘在一个锗片上，并用细金属丝将这些晶体管连接起来，几根零乱的电线将五个电子元件连接在一起，就形成了历史上第一个集成电路。虽然它看起来并不美观，但事实证明，其工作效能要比使用离散的部件要高得多。


摩尔定律



1959年，仙童半导体公司首次推出商用集成电路产品。英特尔公司的创办人戈登-摩尔就曾经就职于仙童半导体。


1965年，摩尔通过对集成电路产业的观察，预言集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。这就是著名的“摩尔定律”，同时也是整个半导体集成电路产业奋斗的目标，而这一目标的实现伴随着无数的发明与创新。为了增加单位面积里可以容纳的元器件数目，单位元器件的尺寸必须成比例缩小，即“缩微化”。从早期的离子注入、扩散工艺、光刻技术开始，“缩微化”从来就不是简单的尺寸的缩小，通常都要伴随着新材料、新结构、新工艺的更替。特别是近二十年，当关键尺寸从微米进入到纳米等级时，传统技术已经不能满足新的需求，这些在材料、结构、工艺上的发明创新显得尤为重要。这样的例子不胜枚举：集成电路里导线的材料从铝线变成了铜线；栅极介电材料从二氧化硅变成了氧化铪(high-k)；场效应晶体管也从平面结构变成了鳍式场效应晶体管......



半导体发展史


关于半导体发展的编年史，网上都有详细的记载。这里作者希望和大家分享其中的两段历史：


01


最早的集成电路是建立在双极性晶体管（bipolar junction transistor-BJT）器件基础上的，十九世纪七十年代，当时BJT已经发展的相当完善。1963年发明的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术才刚刚起步，甚至在运算速度上，CMOS还要比BJT慢。但是BJT缺点是漏电流大、“缩微化”困难、功耗高，而CMOS集成度高，功耗低。最终，CMOS取得了集成电路的主导地位。

02


第二个段历史，关于极紫外光（EUV）的研发，众所周知，EUV光刻机是生产7纳米以下更小技术结点的必须设备，目前被荷兰的光刻机设备巨头阿斯麦（ASML）垄断。中国大陆的半导体厂商为了买到一台EUV光刻机大费周章。早在1997年，EUV的研发就开始了，最初的研究团队里，除了Intel、AMD摩托罗拉等半导体企业，美国政府的参与也起了很大的作用，包括美国能源部以及三大美国国家级实验室。这两段历史是集成电路发展中新旧技术交替，重大技术革新的一个缩影。


      •1947年:贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管,这是微电子技术发展中第一个里程碑;

　　•1950年:结型晶体管诞生;

　　•1950年: R Ohl和肖特莱发明了离子注入工艺;

　　•1951年:场效应晶体管发明;

　　•1956年:C S Fuller发明了扩散工艺;

　　•1958年:仙童公司Robert Noyce与德仪公司基尔比间隔数月分别发明了集成电路,开创了世界微电子学的历史;

　　•1960年:H H Loor和E Castellani发明了光刻工艺;

　　•1962年:美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管;

　　•1963年:F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术,今天,95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺;

　　•1964年:Intel摩尔提出摩尔定律,预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍;

　　•1966年:美国RCA公司研制出CMOS集成电路,并研制出第一块门阵列(50门);

　　•1967年:应用材料公司(Applied Materials)成立,现已成为全球最大的半导体设备制造公司;

　　•1971年:Intel推出1kb动态随机存储器(DRAM),标志着大规模集成电路出现;

　　•1971年:全球第一个微处理器4004由Intel公司推出,采用的是MOS工艺,这是一个里程碑式的发明;

　　•1974年:RCA公司推出第一个CMOS微处理器1802;

　　•1976年:16kb DRAM和4kb SRAM问世;

　　•1978年:64kb动态随机存储器诞生,不足0.5平方厘米的硅片上集成了14万个晶体管,标志着超大规模集成电路(VLSI)时代的来临;

　　•1979年:Intel推出5MHz 8088微处理器,之后,IBM基于8088推出全球第一台PC;

　　•1981年:256kb DRAM和64kb CMOS SRAM问世;

　　•1984年:日本宣布推出1Mb DRAM和256kb SRAM;

　　•1985年:80386微处理器问世,20MHz;

　　•1988年:16M DRAM问世,1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管,标志着进入超大规模集成电路(VLSI)阶段;

　　•1989年:1Mb DRAM进入市场;

　　•1989年:486微处理器推出,25MHz,1μm工艺,后来50MHz芯片采用 0.8μm工艺;

　　•1992年:64M位随机存储器问世;

　　•1993年:66MHz奔腾处理器推出,采用0.6μm工艺;

　　•1995年:Pentium Pro, 133MHz,采用0.6-0.35μm工艺;

　　•1997年:300MHz奔腾Ⅱ问世,采用0.25μm工艺;

　　•1999年:奔腾Ⅲ问世,450MHz,采用0.25μm工艺,后采用0.18μm工艺;

　　•2000年: 1Gb RAM投放市场;

　　•2000年:奔腾4问世,1.5GHz,采用0.18μm工艺;

　　•2001年:Intel宣布2001年下半年采用0.13μm工艺。

　　•2003年:奔腾4E系列推出,采用90nm工艺。

　　•2005年:Intel 酷睿2系列上市,采用65nm工艺。

　　•2007年:基于全新45纳米High-K工艺的Intel酷睿2 E7/E8/E9上市。

　　•2009年:Intel酷睿i系列全新推出,创纪录采用了领先的32纳米工艺,并且下一代22纳米工艺正在研发。


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        文：朱煜

       排版：张乐辰








2020年4月17日
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