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主题:硅微电子技术的发展和极限
发信人: ericsuen(不一样的蚊子)
整理人: siemens(2001-05-08 16:53:03), 站内信件
硅微电子技术的发展和极限   
    微电子技术作为现代高技术的重要支柱,经历了若干发展阶段。50年代末发展起来的小规模集成电路(SSI),集成度仅100个元件;60年代发展的是中规模集成电路(MSI),集成度为1000个元件;70年代又发展了大规模集成电路(LSI),集成度大于1000个元件;70年代末进一步发展了超大规模集成电路(VLSI),集成度在105个元件;80年代更进一步发展了特大规模集成电路(ULSI),集成度比VLSI又提高了一个数量级,达到106个元件以上。
  随着集成度的提高,要求器件尺寸不断减小,1985年,1兆位ULSI的集成度达到200万个元件,器件条宽仅为1μm;1992年,16兆位的芯片,集成度达到3200万个元件,条宽减到0.5μm,即500nm;而后的64兆位芯片,其条宽已达0.3μm,即300nm;预计本世纪末将出现1Gb的ULSI芯片,那时条宽将只有0.1μm,即100nm,单个芯片将集成10亿只晶体管。
  虽然微处理器性能的改进仍将继续保持高速度,但这样一种稳定的进展也不总是有把握的,制造商在未来若干年中将如何制造更小、更快的晶体管尚不明朗。目前它们所使用光刻方法其中的关键技术正在接近极限。如果这个问题得不到解决,则过去数十年中所取得的进展将会迅速地停下来。
  从物理角度看,在1.0μm时,晶体管是非常理想的开关,但在0.1μm时,开关特性就变得不理想了。到了0.05μm时开关特性就已消失了,而且就今天的制造工艺来看,也可以证明是难以实现的。
  另一方面,使晶体管及其布线变得极小的一个复杂问题在于量子力学开始干扰其功能,由于单个电子的位置变得难以规定,因此逻辑元件保存其数值0或1的可靠程度降低了。但这一性质可以加以利用,如麻省理工学院的研究人员正在研究以器件的非经典行为为基础的量子计算技术的可行性。
  所以,从失去开关特性或逻辑功能的意义上讲,目前可以认为晶体管的极限是0.05μm。而且为了使单芯片能集成更多的晶体管,就不可以将芯片做得越来越大,原因有以下4点:
  ①芯片本身单位面积的成本基本上是固定的,大约10美元;
  ②互连线本身的成本随着芯片面积的增加而降低;
  ③芯片越大,损失的成本也越大;
  ④到2010年,芯片缺陷密度大约为0.01/cm2,如果芯片是1cm2,它被做坏的几率约为1%。
  综合以上4点,到2010年,芯片做到13cm2,它的各项综合成本是最低的,但有一点值得注意,芯片本身的面积是1cm2也好,50cm2也好,它的成本大概是固定不变的。所以,到2010年,芯片大小已不那么重要,约为13cm2,晶体管大小则约是0.05μm。100nm被认为是微电子技术发展的极限,而空间尺度在0.1~100nm被定义为纳米空间,在纳米空间电子的波动性质将以明显的优势显示出来。
  因此,预计到2010年,微电子技术发展到极限,面临挑战,人们必须超越这个极限,在其它方面进行突破。视电子为粒子的微电子技术失去赖以工作的基础,于是纳米电子学应运而生。
 

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