我国微电子产业发展迅猛需求新技术人才

时间：2009-03-04 16:50:18 来源：嵌入式在线 作者：

 微电子是信息科学技术的基础，它的科学技术水平和产业实力在一定程度上标志着国家的综合实力，是事关国民经济和国防建设发展的战略性基础学科。近年来，我国微电子产业发展迅猛，对新技术和xx人才需求十分迫切。11月9日，建筑面积共1.7万平方米、拥有1500平方米净化实验室的北京大学微纳电子大厦在北京大学校园内奠基动工，这座在世界高等学校中具有{yl}水平的微纳电子教学与科研基地将培养国家需要的xx技术人才，并从事科学技术的原始创新。

    据北京大学校长许智宏院士介绍，“国家中长期科学和技术发展规划纲要”中十分重视微电子及相关技术的发展，“国家重大科技专项”中率先启动的两个重大专项均以微电子及相关技术为主，充分体现了国家对微电子技术发展的高度重视。

    “今天，微电子学正向纳电子学过渡，集成微系统正向集成微纳系统过渡，正在迎接纳米级集成电路和集成系统的时代。”北京大学微电子学科学术带头人、首席科学家王阳元院士认为，当前新一轮世界经济的驱动器是信息科学技术，而微纳电子和软件正是信息科学技术的基础与核心。“可以毫不夸张地说，微纳电子是一门对国民经济发展和国防实力建设具有重要影响力的战略性、基础性的新兴技术学科，也是一门综合性很强的发展前沿的高新技术学科。”王阳元表示，中国需要微纳学科领域的优秀人才和先进产品。作为中国微纳电子人才和科研成果的摇篮，北京大学急需进一步改善教学与科研条件，建设现代化的微纳电子大厦正是应时之举。

    北京大学是我国半导体事业的摇篮和重要发源地之一，也是我国微电子学科教学与科研成果的培育基地。北京大学微电子学科以及北京大学微电子研究院参与承担了国家“973”基础研究项目、“863”高技术计划、电子预研和科技攻关等各层次的国家重大科研项目，30年来发展了集成系统芯片、微纳集成系统和纳米集成电路新器件等3个重点学科方向，取得了一系列重大创新科研成果：我国{dy}个半导体专业是1956年在黄昆院士等领导下由北京大学联合5所高校在北京大学创建的；是我国{dy}块大规模集成电路1024位MOS动态随机存储器的诞生地；建设了我国{dy}个{gjj}微纳系统加工技术重点实验室；建设了{dy}个软件固化（软硬件协同设计）北京市重点实验室；建成与成功运行了融教学科研于一体的多目标芯片服务中心等。

    据了解，这座微纳电子大厦的主要建设资金由北大青鸟集团和北大宇环公司提供。这两家高新技术企业分别由北京大学信息与工程科学学部主任、软件工程学科学术带头人及首席科学家杨芙清院士和王阳元院士创立。多年来，这两位学科带头人在推动我国相关领域的产学研结合方面作出了积极贡献。

２１世纪初微电子技术的新生长点及其发展趋势

作者：彭英才

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　　微电子技术作为现代高科技的代表，过去、现在和将来都会在经济发展中占据着举足轻重的地位。微电子技术水平的高低，是衡量一个国家综合国力的重要标志。日本人认为，谁控制了超大规模集成电路产业，谁就控制了世界产业。英国人说，如果哪个国家不掌握半导体与微电子技术，它便会迅速加入不发达国家的行列。事实上，世界科技、国防与经济发展的现状也xx证实了这一点。
　　目前，我们正处在跨越时空的信息网络时代。微电子技术自然扮演主要角色。在新的世纪中，微电子技术自身将会继续得到迅速而稳固的发展，其中CMOS集成电路将仍是21世纪初的主流工艺。除此之外，应该看到微电子正在同其他学科与技术相渗透、交叉与融合，从而产生一些新的技术生长点。本文将对这些崭露头角并已出现良好发展势头的新生长点及其发展趋势作简要评述。
　　
　　微电子机械系统
　　所谓微电子机械系统，是微电子技术与精密机械和光学加工技术相结合，将微电子与机械融为一体的新型系统。它的基本原理是将电子系统与外部世界联系起来，使其不仅可以感受外部的运动、光、声、热、磁等自然信号，并将这些信号转换成电子系统可以认知的电信号，而且还可以通过电子系统控制这些电信号，发出指令并完成该指令。广义上讲，微电子机械系统是指集微型传感器、微型执行器、信号处理与控制电路、接口电路、通信系统以及电源为一体的微型机电系统，它涉及电子技术、机械技术、光学、物理学、化学以及材料科学等学科领域。
　　目前，世界上许多发达国家都将此项技术列入重点发展计划，并予以优先资助与发展。这是因为微电子机械系统具有许多独特的优点，如体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高和功能强等，使得它在航空航天、生物医学、环境监控、军事装备以及交通运输等领域中，都有着十分广阔的应用背景。同时，微电子机械系统可以广泛应用于高密度信息存储、信息采集以及光谱分析等领域。目前人们已成功地制造出了{jd0}直径为5μm大小、可以夹起一个红细胞的微型钳子，以及可以在磁场中飞行的像蝴蝶般大小的飞机等。
　　
　　集成系统
　　集成电路的设计与制作是微电子技术发展的核心，而且发展速度是令人吃惊的。但是，目前随着整机系统向高速度、低电压、多媒体、网络化和移动化方向的发展，系统对电路的要求也越来越高，传统集成电路的设计技术已无法满足性能日益提高的整机系统的要求。同时由于集成电路设计与工艺技术水平的提高，已经可以将整个系统集成为一个芯片。在这种需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个或几个微电子芯片上的集成系统。
　　所谓集成系统是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个或少数几个芯片上完成整个系统的功能。很多研究表明，与集成电路组成的系统相比，由于集成系统的设计能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺条件下实现更高性能的系统指标。另外，与采用常规集成电路方法设计的芯片相比，采用集成系统设计方法完成同样功能所需要的晶体管数目约可以降低1～2个数量级。
　　系统设计与物理设计的界面是功能模块与子系统，而不是传统意义上的单元库。对于电路功能模块，特别是子系统，不同的设计会有十分悬殊的差别，因此那些芯片面积最小、运行速度最快、功率消耗{zd1}和工艺容差{zd0}的设计，将被系统设计师所认可，并被集成系统“复用”。
　　集成系统的实现将极大地依赖于诸多学科与行业的默契配合，一个人或少数几个人包打天下的局面已不复存在。功能模块的设计中更多体现包括电路、器件、物理、工艺甚至分子、原子等物理背景，而系统设计将更多地体现包括功能、行为、算法、架构甚至思路、构想等系统背景。
　　
　　纳米电子学
　　集成电路的发展引起了信息技术的革命。但正如大家所熟知的那样，它也正向其物理极限与工艺极限日益逼近，许多微电子学家也为寻找新的途径与出路而费尽了心机。那么，有无办法使其集成电路超越其物理与工艺限制，从而使微电子技术出现新的重大突破呢?答案是肯定的：体积更小、速度更快、功耗更低的新一代量子功能器件的设计与制作将是一条可行途径，这就是由微电子技术与纳米技术相结合而出现的纳米电子学。
　　我们知道，电子在常规体材料内的运动是一个多体运动系统，单就电子数量来说也在1022个/cm3的量级。人们通常只注意到电子作为粒子而集体运动的宏观效应，而忽略了电子的波动性质。但是，低维材料与结构的物理研究指出，电子在纳米尺度空间所具有的波动性是不可忽略的。在经过特殊设计的纳米电子器件中，电子将以其波动性来表现其运动特征，这就是许多器件物理学家所广泛关注的新一代量子功能器件，而纳米器件在结构上的显著特点就是其低维化。
　　半导体超晶格与量子微结构的研究指出，二维量子阱、一维量子线和零维量子点是一类典型的纳米结构材料，其中的许多崭新物理效应，如量子尺寸效应、量子干涉效应、量子隧穿效应、库仑阻塞效应、量子波动效应等，为量子功能器件的设计奠定了坚实的物理基础。而单电子器件与单光子器件，只因控制单个电子与光子的运动状态，以完成特定功能，因此功耗可降低到原来的1/1000～1/10000，而响应速度可提高103～104倍，因而会在未来的单电子存储与单电子计算机的制作中发挥重要作用。
　　
　　光电子集成芯片
　　由微电子技术实现的半导体集成电路，是通过操纵控制电子在半导体中的行为，借以完成开关、放大和振荡等系统功能的。据此人们设想：能否利用操纵控制光子在半导体结构中的传输、交换与存储行为来实现对外部信息的处理功能，这就是人们正在研究的半导体光子学技术。
　　当代信息高科技的发展，对半导体光子学提出的要求是必须能荷载超大容量、超高速率的传输信息，并具有实时、高速的交换处理能力。而未来工程实用产业化的需求，要求它必须有很高的可靠性、很低的功耗和用户能够承受的性能价格比，因此必由之路依然是集成化，这就是人们极为关注并潜心研究的集成光子学。将激光器、调制器和光开关等光子器件通过光波导的互连而优化集成在一个芯片上，可以形成各种系统功能。
　　但光子器件的运行不可能离开电的驱动、控制以及终端处理读出，可见光集成电路还只能是系统集成的一部分，但它是未来的核心部分。有实用价值的集成系统必须是光子集成电路与电子集成电路的匹配与融合。因而，未来的系统集成芯片必须是光电子集成芯片。这种新型的光电子集成芯片若能用于计算机中逻辑门芯片的光互连，由于瓶颈阻塞效应的xx，运行速度至少可以提高3个数量级，高度并行处理技术可以在机内实用完成，单机的速度可达1000亿次。
　　目前，具有智能化的神经网络芯片，具有高精度的空间调制器面阵、光子接收器面阵、光存储器面阵等，是半导体光电子集成技术发展的主导方向。可以预期，光电子集成芯片及系统将在21世纪的计算机、通信以及信息处理等领域引起一场新的革命。
　　
　　DNA芯片
　　由微电子技术与生物工程技术相结合而产生的DNA芯片，是21世纪微电子学领域的另一个新生长点，具有潜在的发展优势。它是以生物科学为依据，利用生物体、生物组织或细胞等的特点与功能，并与工程技术相结合进行加工生产，它是生命科学与高新技术相结合的产物。
　　采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的玻璃材料上制作出包含多达10万种DNA基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化情况，这无疑将对遗传学研究、疾病诊断、疾病xx和预防、转基因工程等有极其重要的作用。
　　DNA芯片的基本思想是通过施加电场等措施，使一些特殊的物质能够反映出某种基因的特性，从而起到检测基因的目的。目前已可以在一枚邮票大小的玻璃片上布满40～100万种含有20个碱基的DNA探针(已知碱基序列的较短的单链DNA)。从理论上讲，10块这样的芯片即可对人类基因作一次扫描，从而诊断出所有异常基因。
　　目前，DNA芯片的研制正朝着两个方面发展：一方面是制作高密度探针阵列型芯片，以适应大规模芯片段DNA序列的测定。这种芯片上分布的探针种类很多，主要用于测定未知基因的准确序列。这一类芯片将大大加速人类基因组测序计划的进程，也将为基因研究提供一件有力的工具。另一方面是制作针对已知序列的中等密度或较低密度探针阵列型芯片，这种芯片的探针数没有前者那么多，一般是针对某种靶基因而设计的，其目的是利用分子杂交进行特定基因的确认，用于检测已知基因，或用于基因诊断。
　　基因诊断型DNA芯片的研制正处于迅猛发展的阶段。今后的发展趋势和特点将越来越突出地体现出“自动化、集成化、多病种化、非标记化”的特色，以适应快速、简便、灵敏、面广、实用的大量临床诊断工作要求。
　　
　　材料芯片
　　集成电路带动了信息产业的发展，基因芯片的研制推动了生物技术的革命。那么，在浩瀚无尽的物质世界中，如何快速发现具有特殊性能的材料呢?现在，材料科学家们正在将微电子技术与材料技术相结合，研制具有各种特殊功能与用途的材料芯片。
　　1995年，美国劳伦斯－伯克利国家实验室的研究人员，利用优化的集成组合方法，制备了世界上{dy}块材料芯片。这是一种运用掩膜组合技术和薄膜合成技术，将成千上万种不同化学组分的材料并行集成在一块基片上的材料芯片技术。几年来，这种技术已成功地应用于高温超导材料、巨磁阻材料、发光材料和铁电薄膜等的研究，并发现了一系列有价值的新材料。
　　德国亚琛工业大学的科学家发明了一种纳米半导体材料微细加工的新方法。他们用加速后的原子撞击半导体材料表面，结果意外地在半导体材料上留下了10～50nm线宽的有序排列的半导体结构。专家估计，在未来10～15年内，可以用这种方法廉价生产比现在微电子器件速度更快和体积更小的纳米器件。
　　一旦将电子元件作到纳米量级，其芯片的运行速度和内存都将大幅度提高，从而为未来的单电子计算机或纳米计算机的设计与实现开辟了一条新的途径。采用纳米技术生产芯片，既不需要建造异常洁净的车间，也不需要昂贵的实验设备和庞大的生产队伍，只需要将设计好的分子按预期设想混合在一起即可，这就是所谓的“分子组装技术”。
　　最近，美国华盛顿大学的研究人员在实验室中制造出了可以结合微小半导体与金属粒子并将它们组装成簇的基因工程蛋白质。如果借助同样的技术，能够生成组织和装配各种材料的蛋白质分子，则蛋白质就能用来制造是目前计算机芯片上的元件尺寸的数百统一的晶体管、导线以及其他电子元件，预计21世纪材料芯片技术将会随着微电子技术、纳米技术和材料技术的发展而迈上一个新的台阶。
　　人类社会的发展已进入了一个新的千年。在高新技术飞速发展和知识经济初见端倪的今天，作为信息科学技术的基础与先导，微电子技术将辉煌依旧。除了上述所介绍的几个新生长点之外，微电子技术还会同另外一些学科相结合而产生其他一些更新的生长点，如与国防高科技相结合而产生的信息化武器、与分子化学相结合而形成的单分子化学与物理等，就是两个明显的例证。可以相信，只要我们充分发挥自己的优势，勇于探索和大胆创新，就一定会在未来微电子技术及其新生长点的研究发展中占有重要的一席之地。
　　(摘自《自然杂志》2000年第3期)