微电子技术是信息技术领域中的关键技术,是实现电子电路和电子系统超小型化及微型化的技术。它以集成电路为核心。现代集成电路使用的半导体材料主要是硅,也可以是砷化镓等。
集成电路根据它所包含的电子元件数目可以分为小规模、中规模、大规模、超大规模和极大规模集成电路。集成度(单个集成电路所含电子元件的数目)小于 100 的集成电路称为小规模集成电路(Small Scale Integrated,SSI),电子元件数为 100~3 000 的称为中规模集成电路(Medium Scale Integration,MSI),3 000~10 万的称为大规模集成电路(Large Scale Integration,LSI),10 万~100 万的称为超大规模集成电路(Very Large Scale Integration,VLSI),超过 100 万的集成电路称为极大规模集成电路(Ultra Large Scale Integration,ULSI)。通常把VLSI和ULSI统称为VLSI。现在个人计算机使用的微处理器、芯片组、图形加速芯片等都是超大规模和极大规模集成电路。
集成电路芯片是微电子技术的结晶,它是计算机和通信设备的硬件核心,是现代信息产业的基础。世界集成电路产业的发展十分迅速,以集成电路为基础的电子信息产品的市场总额超过一万亿美元,成为世界最大产业之一。
1.集成电路特点
集成电路的特点是体积小、重量轻、可靠性高。集成电路的工作速度主要取决于组成逻辑门电路的晶体管尺寸。晶体管的尺寸越小,其极限工作频率越高,门电路的开关速度就越快。所以,从集成电路问世以来,人们就一直在缩小门电路面积上下功夫。Intel公司的创始人之一摩尔(G.E.Moore)1965 年在《电子学》杂志上曾发表论文预测,单块集成电路的集成度平均每 18~24 个月翻一番,这就是有名的Moore定律。
目前我国集成电路的制造已经达到国际先进水平。近 10 年间,我国集成电路生产线的主流技术已由 5in、6in,0.5μm以上工艺水平提升到 8in 0.18μm~0.25μm、12in 110nm~90nm~65nm。
2.集成电路未来发展趋势
从 1958 年第一个集成电路发明到现在,集成电路已经走过了 50 多年的历史,随着电子科技日新月异的发展,各种新技术新应用不断的充斥着半导体的发展,现在在一颗集成电路上集成数十亿个晶体管已经不是难事,对于设计师来说,难的是如何让自己的集成电路差异化,给集成电路的生产带来更多的利益。这里,归纳了 3 种集成电路设计差异化的趋势。
(1)芯片模块化
随着工艺技术的发展,集成电路的尺寸越来越小,有些厂商选择用模块化来实现差异化。例如,村田公司把自己优势的MLCC技术与无线技术结合,推出了体积超小的蓝牙Wi-Fi模块,这些模块被苹果手机采用。
芯片模块化的另一个例子是电源模块,Vicor公司的电源模块就是利用其旗下Picor公司的电源管理集成电路提升了电源模块的竞争优势。
(2)高集成
由于集成电路封装的变化要远远慢于集成电路技术的发展,所以,随着工艺技术的发展,很多厂商选择用高集成来实现差异化,这方面领军的企业有TI、高通、博通、MTK等等,要实现高集成,关键条件是公司必须有大量的IP储备,并有成熟的经验积累,这样,通过高集成让自己的产品在尺寸、功耗以及成本上处于领先地位,然后通过封装形成差异化。例如,TI推出的五合一的WiLink8.0 产品系列,用 45nm单芯片解决方案集成了五种不同的无线电,把Wi-Fi、GNSS、NFC、蓝牙(Bluetooth)以及FM收发集成在一颗芯片上。与传统多芯片产品相比,五合一WiLink8.0 芯片可将成本降 60%,尺寸缩小 45%,功耗降低 30%。
(3)“软件差异化”的同质化
目前电子业界对软件差异化价值的追捧有点倾斜过度了,造成了“软件差异化”的同质化。软件工程师对UI的重新设计、通过软件去实现大量功能等,这一方面增大了工作量,另一方面也给主控硬件造成负担。用定制芯片把一些需要的关键IP放入到单芯片中,这样,既实现了软件差异化设计,又能平衡软硬件的功能。
例如LSI的Axxia通信处理器,就可以实现非常自由的定制。LSI利用虚拟管道技术,可以在芯片中任意增加系统厂商需要的功能以及接口,实现了极大的灵活性和差异化。
集成电路卡(Integrated Circuit Card,IC卡)把集成电路芯片密封在塑料卡基片内部,使其成为能存储、处理和传递数据的载体。与磁卡相比,它不受磁场影响,能可靠地存储数据。
IC卡根据卡中所镶嵌的集成电路芯片可分为两大类。
(1)存储器卡,这种卡存储容量在几KB到几十KB,安全性不高,使用方便,如水电卡、电话卡、公交卡、医疗卡等。
(2)CPU卡,也叫智能卡,卡上集成了中央处理器(Central Processing Unit,CPU)、程序存储器和数据存储器,还配有操作系统。这种卡处理能力强,保密性好,常用于作为证件和信用卡使用的重要场合。手机中使用的SIM卡就是一种CPU卡,它不但可以存储用户身份信息,还可以将电话号码、短消息等存储在卡上。
IC卡按使用方式可分为两种。
(1)接触式IC卡,如电话IC卡,其表面有一个方型镀金接口,共有 8 个或 6 个镀金触点。使用时必须将IC卡插入读卡机卡口内,通过金属触点传输数据。这种IC卡多用于存储信息量大,读写操作比较复杂的场合。接触式IC卡易磨损,怕油污、寿命不长。
(2)非接触式IC卡,又叫射频卡,感应卡,它采用电磁感应方式无线传输数据,解决了无电源和免接触这一难题。操作方便、快捷。这种IC卡记录的信息简单,读写数据不多,常用于身份验证等场合。采用全密封胶固化,防水、防污,使用寿命长。我国第 2 代居民身份证就是一种非接触式的IC卡,2 代身份证内部嵌入了一枚指甲盖大小的非接触式集成电路芯片,可实现“电子防伪”和“数字管理”两大功能。