大规模和超大规模集成电路

前面曾经介绍过 1958 年开始出现的微模组件系统，它的出现是基于两条原则：其一是采用微模组件使电路尽可能小型化；其二是让一些通用的功能单元电路成为一种标准，像人人都能使用的一块积木，以后便可利用这些标准模块更方便地实现大系统的功能。这两个原则看来和集成电路的原则并没有什么差别。集成电路诞生最初也是用于大量集成各种功能电路，因此当微模组件于 60 年代初刚刚获得通用时，集成电路就以非常优惠的价格使前者成为历史中的一现昙花。

在集成电路发展的最初阶段，大量生产的是中小规模集成电路。如果一块集成电路包含 100～1000 个管子和元件，它就被称为中规模集成电路，数目更少的则称为小规模集成电路。中小规模集成电路涵盖了许多通用电路，尤其是在数字集成电路领域中。这些通用电路积木模块包括计数器、译码器、寄存器、比较器、加法器和乘法器等数十种电路。利用这些模块，再加上存储器，就可以实现所有的各式各样的数字电路。现在已普及到家庭的电脑以及复杂得多的大、中型电子计算机看起来无所不能，其实它们内部就是由数万甚至数十万块通用电路模块完成的，不过品种却不会超过 20 种。因此中小规模集成电路用在一些小系统的设计上更是游刃有余了。直到现在，中小规模集成电路因为它的通用性好而广受欢迎，产量也因此非常之大。

事物总是这样具有两面性，有了这样的优点，就一定会有另外的缺点。中小规模集成电路适用范围广，则它的集成度必然不高。不同电子设备的功能毕竟是各不相同的，不同电路之间相同的部分也必定是很少的，只可能在较小规模的程度上一致。当然，我们可以用这种集成电路去实现一个庞大的系统，但这会导致芯片的数量达到很可观的数字，体积也就不可避免地会膨

胀起来。不幸的是总有一些场合，体积是受到严格限制的。比如用运载火箭携带卫星上天时，为了能把卫星送上预定的轨道，它必须得有足够的推动力使之克服地球的引力达到第一宇宙速度，为此的花费是昂贵的，通常每增加一公斤重量，费用要增加 10 万元左右。火箭和卫星上都大量配置着各式各样的电子设备，如果它们都由小规模集成电路来实现，结局无疑会是灾难性的。

所以绝对有必要去制造集成度更高的集成芯片，尽管它们适用范围会比中小规模的集成电路小很多，重要性却要大得多，尤其在一些军用的高精设备上更起着举足轻重的作用。

1967 年前后，首次出现了大规模集成电路，管子和元件数超过了 1000

个；1970 年很快激增到 10 000 个；到 1975 年时超大规模集成电路问世，这

次集成的元件数达到了 10 万，到 80 年代中期，每个硅片上集成的元件数达

到了难以想象的 100 万个，现在这个数目增加到了 390 万。不到 30 年的时间，电路器件的集成度提高了几十万倍，这种速度是世界上任何一类其它产品都不能够相提并论的。您还记得 ENIAC 吗？那台人类拥有的第一台电子计算机，它的运算速度为每秒 5 000 次，体积达到 90 立方米，重有 30 吨，耗电

量更高达 140 千瓦。到 1976 年出现的运算速度略高于每秒 5000 次的计算机

体积仅为前者的三十万分之一，重量仅有一磅，耗电量小到只有 2.5 瓦。这真叫不以大小论英雄。另外一个实例是微机的发展，80 年代初期出现的具有划时代意义的 PC/XT 机为了完成串行通信、并行通信以及对软盘驱动器和硬盘驱动器的工作，一共占用三个输入输出卡槽资源，需要上百块集成电路芯片，其中包括有大量的中小规模片子。现在呢？不再需要占用任何槽口了，所有的功能都由计算机主板上的一块芯片完成，正是它，使大量通用芯片不再成为必需。

当集成电路以令人瞠目结舌的速度往前飞奔时，新的工艺问题出现了，老的原则现在不适用了，过去生产中小规模集成电路的工艺方法如今胜任不了新的工作了。

一块晶片上需要集成 100 万个元件，而晶片的面积却小得可怜，提高集成度的首要问题当然是尽可能地缩小各种元件的面积。可没有想到另外有一个麻烦冒了出来——集成电路的工作电流。在中小规模集成电路中晶体管的数量较少，这使得它能容忍每只管子有较大的工作电流。而谁要是糊涂地把这种思想带到超大规模集成电路中去，那真是一场灾难。假想一块晶片上要集成十万只晶体管，并假设平均每只管子工作电流为 100 微安，这看起来实

在是很小的一个数了，但所有晶体管一起工作就太可怕了，电流足足有 10 安培。除非是某些特殊用途的器件，否则在这么大电流下工作实在无法正常起来，何况集成的晶体管数早已不是 10 万的水平了。

怎么办呢？所幸人们还有一种 MOS 晶体管，它在面积和电流的两项重要指标上都比前面讲到的双极型三极管要好得多。MOS 是英文金属氧化物半导体的简称。它的工作核心不再是 PN 结，而是利用电场来控制半导体中运动的截流子从而使 MOS 管也能起到和双极型三极管一样的放大作用。而且在集成电路中 MOS 管的面积可小到 0.0005 平方毫米以下，只有双极型晶体管面积的1/5，工作电流指标也有了显著改善。众多的好处使 MOS 管成为超大规模集成电路中倍受青睐的角色，MOS 集成电路也成为微电子技术革命中当仁不让的先锋。

另外的许多先进手段开始引入集成电路的设计制造过程。现在用计算机

辅助集成电路的设计已经成为微电子行业里最富有活力的领域，依靠计算机强大的功能，复杂电路的设计和检验才成为一件可能的事。难以想象存在这样的人愿意花费无数的精力和金钱去实际完成一个包含几十万电子元件的电路以验证这个电路的可行性。计算机每一次的革命都是以集成电路的进步为基石的，而最后它又成为促进集成度提高的最有力的工具，它们相辅相成，促成了这个世界的美妙进程。

平面工艺中最重要的一道工序光刻现在也遇到了不可克服的困难。受到光固有的衍射特性的限制，2～3 微米的线宽成为光刻无法突破的极限。为追求更高的精度，60 年代后期又有了一种称为电子束曝光的新工艺，它能在硅片上蚀刻出小于 1 微米线宽的图形。1970 年，以斯皮勒为首的美国科学家又发明了χ射线工艺，它的分辨率也很高，至少达到与电子束曝光法同一量级。

不断更新的工艺让集成电路有足够的推动力往前发展，所有的电气设备，从卫星到随身听，都变得越来越小巧、精密和可爱，也使所有人的生活变得越来越轻松、方便而丰富多彩。