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中科院工程院王阳元解放日报发表文章:器件——社会风气信息技术的“发动机”

发布日期:2022-05-13 08:46:54浏览次数:7

器件——社会风气重要信息技术的发动机(Q1566A弯果)

王阳元《 解放日报 》( 2022年05月13日   第 20 版)

晶片和框架电缆线冲压。   新华社记者 黄 伟摄
器件制造现场。   ZR19摄(人民听觉)

网络时代,器件无所不在。大到航太、高速铁路船舶,小到手机电脑、智能手环,器件都是核心部件。甚至现代农业工业,也正在透过器件实现重要信息技术、智能。器件技术改变着人类的制造方式和生活方式,正式成为社会风气重要信息技术的发动机,兼有经济价值和战略地位。

今天,器件关系到许多现代民营企业、新兴民营企业乃至行业的核心竞争力。比如在电动车应用领域,晶片在发动机控制控制技术(如起爆、变速箱传动装置)、底盘控制控制技术(如转向、自动门)、智能驾驶控制技术(如照相、雷达、司机监视)、底盘及宽敞安全控制技术(如车窗、灯光、坐椅、安全气囊、冷气、音响系统)、重要信息联网控制技术(如导航系统)等部分应用,此部电动车约需要1000—2000块器件。普通商用车中,电动车电子零件(包括器件和分立器件)成本占比已达40%,在纯电动电动车中更是达到65%以上。

2020年,国务院下发《新时期促进器件产业发展和重要信息产业发展高效率发展的若干政策》,首推器件产业发展高效率发展。二三规划和2035年展望未来目标行动计划提出:切入人工智慧、量子重要信息、器件、生命健康、神经科学、生物繁育、反舰重要信息技术、利韦农海底等最前沿应用领域,实施一批具有创新性、新兴产业的国家重大重要信息技术项目。这8个应用领域均与器件相关,也深刻说明器件的研发、制造和应用是一项关键而复杂的社会风气工程。可以说,器件已经正式成为助推新一轮重要信息技术革命和产业发展变革的核心技术。

颗粒状大小的重要信息航空母舰

器件是透过在积体电路铁芯上制作电晶体、阻抗、电感和导体等,控制电子零件在固体中的运动,并PCB在机壳内执行特定电阻或控制技术功能的电子零件器件。人们由其无腺,给器件取了一个更形象的名字:晶片。

手机、电脑、卫星、高速铁路、工业机器人中的器件类型千差万别,但都做着类似的事:重要信息的获取、存储、处理和传输。以器件与软件构成的重要信息中枢,已经融入当今人类制造生活的各个应用领域,正式成为构筑重要信息社会风气的基石。在抗击新冠肺炎疫情中,为更准确地进行流调,手机扫码正式成为生活中的常态,而手机的核心组件正是器件。

器件的主要基底材料,是地球上除氧之外含量最丰富的元素——硅。人们常见的砂石中,就含有硅元素。一块黑褐色的硅石片,看上去不起眼,但经过人们的创新设计和加工制造,便正式成为器件。它将人类的智慧与创造固化在硅晶片上,使用价值巨大,可谓点石成金。自1958年器件发明以来,随着设计和制作技术不断进步,单一晶片上集成的电晶体数,就处理器而言呈每24个月增长一倍的趋势,这就是著名的摩尔定律。现在,器件已经可以在单一晶片上集成上百亿个电晶体。

得益于器件,计算机技术突飞猛进。最初的电子零件管计算机,由约1.8万个电子零件管组成,占地150平方米,重30吨,耗电140千瓦,计算速度只有每秒几千次。如今,超级计算机计算速度可达每秒百亿亿次,并在生物医药、新材料研究、太空探索、基因测序、天气预报等应用领域发挥重要作用。在移动通信应用领域,得益于器件技术的快速进步,通信网络传输速率不断提高,第五代移动通信技术(5G)已经普遍应用。

器件不仅解决了重要信息处理的问题,还解决了重要信息的存储、获取和传输问题。积体电路存储器在移动设备中已经取代磁盘存储器,手机、U盘可以随时存储或读取大量文件;积体电路传感器解决了光影、力、磁、化学、生物等自然信号转变为电信号的问题,例如采用图像晶片可随时随地拍摄照片或视频;以器件为内核的互联网,使重要信息传输变得方便快捷,无论是电动车导航系统、网购商品还是数字支付,都已进入人们的日常生活。在器件构成的重要信息终端之间,无论何时何地,都可以进行声音、文字、图像、视频等重要信息的交换。

基础研究创新驱动的朝阳产业发展

器件产业发展飞速发展靠的是创新驱动,比如从平面到三维的器件结构创新,从硅材料到化合物积体电路、碳基材料的创新,从紫外线光刻到极紫外光刻设备的创新等等。这些创新万变不离其宗,无一不是来自数十年的基础研究成果积累。

当前,器件已发展到后摩尔时代。不再仅以每两年集成度提高一倍为主要指标,而是以降低功耗、提高性能功耗比作为发展标尺。现在的集成度已达到一个颗粒状大小的晶片上,可以集成超过全世界人口数量(超70亿)的电晶体。每个电晶体都需要能源供给并散发热量,导致晶片能耗高,不利于应用,比如手机出现发热问题。我们可以采用新原理、新材料、新工艺和新结构器件及其新型器件架构,降低单个电晶体的漏电流和电源电压,晶片静态功耗就会降低。对于更重要的动态功耗,不同器件功能不同,动态功耗各异,功耗降低以后可以再增加电晶体集成度,进一步提高性能。在后摩尔时代,器件技术有4个发展方向。

继续缩小尺寸。最初,器件加工尺寸为10微米,现在最先进的加工技术已达到10纳米以下。10微米是1纳米的1万倍,这相当于普通自行车车轮直径和一根头发丝直径的比例。加工尺寸越小,同样面积的硅片上就能容纳更多电晶体,从而处理更多重要信息;同时,加工尺寸越小,电晶体的栅长就越短,电信号在电晶体内以及电晶体之间的传输速度就越快。一般来说,加工尺寸为上一代工艺节点的0.7倍时,电晶体面积缩小50%,器件性能提升1倍。当器件进入2纳米技术代时,每平方毫米的硅片上可容纳3.3亿个电晶体。

将不同功能的晶片透过控制技术集成和三维PCB等方式组合,以满足器件多功能应用需求。如将不同工艺、不同材料、不同功能的数字电阻、存储电阻、模拟电阻、射频电阻、高压电阻、功率电阻、驱动电阻、传感器与执行器、生物晶片等PCB在一起,形成一个多功能集成控制技术模块,进而组成一个全新的、完整的电子零件控制技术,以适应不同应用领域、不同场合的应用需求。这就相当于只用一个集成控制技术模块,就可以承担整个控制技术的功能,好比不同军种组合成一个集团军,以完成多样化任务。

器件结构革新。开发量子器件、单电子零件器件、石墨烯器件、仿生类脑器件等。电晶体是器件的核心器件,最初的电晶体是双极型结构,后来金属氧化物积体电路器件诞生,正式成为主流器件器件结构。现在,平面的金属氧化物积体电路器件结构变为三维的鳍形栅结构,并正向环形栅方向发展。每一次器件结构革新,都会带来器件技术重大进步。量子器件和单电子零件器件是电晶体工作原理上的革新,石墨烯器件是电晶体材料的革新,仿生类脑器件则是模拟神经元人脑突触的器件。这种革新为器件的创新应用提供更多可能,如仿生类脑器件将为人工智慧网络的应用插上翅膀。

与其他学科结合,产生多种集成微纳控制技术。器件与其他学科具有十分广泛的交叉性,而交叉点往往是创新点。国务院学位委员会批准设立器件科学与工程一级学科时,就将其列为交叉学科中的第一个学科。器件与精密机械结合,诞生了微机电控制技术,例如硅陀螺,精度好、可靠性高,现已应用于电动车、飞机和船舶等,凡是需要导航系统的地方都可以应用;与生物学结合,诞生了可穿戴的、检测人们身体指标的各种晶片。

建立新形态重要信息技术科学和产业发展。这方面,手机的发展是典型案例。手机最初是通信范围有限的模拟式大哥大,之后是可以接打电话的数字式按键拨号手机,并有了汉字显示功能,屏幕由黑白转为彩色,触屏取代了实体按键,还进一步正式成为替代相机的随身工具。随着网络通信技术发展,手机获取和传输文字、声音、图像的速度,已经能够手到擒来。一部手机,在器件技术推动下,从电话变成了人们必备的智能重要信息中心。与之相关的网络购物、网络直播等新形态重要信息产业发展正在形成,与此同时,以信件、邮票、邮递员为主的邮电产业发展也在适应变化、升级迭代。未来,随着物理、化学、数学、生物学、计算机科学与软件等学科和相应技术的进步,器件将继续推动重要信息技术科学和产业发展创新发展,为人们工作生活带来更多便利和新的可能。

未来,器件将在更多维度和更大空间发展起来,前景广阔,重要信息技术社会风气和数字时代需要这样的发动机。世上无难事,只要肯登攀。相信这一朝阳产业发展将从多维度、多方面推动我国重要信息技术和数字化发展。

(作者为中科院院士、北京大学教授)

制图:赵偲汝

推荐读物:

《器件产业发展全书》:王阳元主编;电子零件工业出版社出版。

《后摩尔时代微纳电子零件学》:中科院、国家自然科学基金委员会编;科学出版社出版。

《微电子零件学概论(第三版)》:张兴、黄如、刘晓彦编著;北京大学出版社出版。

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责任编辑:李墨轩