集成電路芯片：裝備信息系統的基石

微電子技術專家、國防科技大學扈嘯研究員為您講述

◎它藏身幕后，作用非凡，在信息化世界里無處不在。

◎它集高精尖于一體，指甲大小卻能容納數億個晶體管。

◎未來戰爭與其說是鋼鐵之戰，不如說是智能芯片之戰。

2014年，在信息技術領域，有關芯片的新聞頻出——

IBM公司研制出一款能夠模擬人腦神經元、突觸功能以及其他腦功能的微芯片，擅長完成模式識別和物體分類等煩瑣計算任務，這是模擬人腦芯片領域所取得的又一大進展。

著名科技期刊《麻省理工科技評論》評選出全球10大突破技術，美國高通公司研發的高通神經形態芯片入選其中。

歐洲一家機構用3年時間研發出全球體積最小的完整雷達芯片，利用多普勒雷達成像技術，該芯片能檢測到移動的物體和它們的速度。

我國批準實施《國家集成電路產業發展推進綱要》，為集成電路產業帶來新的發展契機，對確保我國信息安全具有重要意義。

芯片何以如此受到人們的關注？現在就讓我們來一探究竟。

探秘“芯”世界：開啟智慧大腦

芯片又叫集成電路，它是通過微細加工技術，把半導體器件制造在硅晶圓表面上獲得的一種電子產品。這一專業術語有點拗口，實際上，它是將多達幾億個微小的晶體管連在一起，以類似用底片洗照片的方式翻印到硅片上的“集成電路”。晶體管很小，小到一根頭發絲直徑里能放下1000個，而制造出來的芯片也只有指甲蓋那么大。

芯片雖小，能耐卻大得驚人，它具有信息采集、傳輸、處理和存儲功能，是現代電子設備中最核心的部分，在信息化世界里無處不在。在日常生活中，那些帶“電”的產品幾乎都嵌有芯片，只是藏身幕后，并不顯山露水，但其作用非凡。在軍事領域，它更是能讓武器裝備如虎添翼。有了采集芯片，武器裝備就如同有了“千里眼”和“順風耳”；有了信息處理芯片，武器裝備就能具有像人一樣的“智慧大腦”；有了通信芯片，就能將各種裝備與作戰單元連接起來進行體系對抗；而存儲芯片，則能保存各種戰場數據，進行作戰效能和毀傷評估。

設計制造：集高精尖技術于一體

2014年2月，美國英特爾公司推出了新款“至強”系列微處理器（代號Xeon E7 v2），引起了世界信息技術領域不小的震動。其單芯片上集成的晶體管數量達到43.1億個，制造工藝由1972年芯片誕生時的10微米縮減至22納米。這一成果表明，在芯片發展的40多年里，性能和復雜度已提高了1800萬倍，晶體管的特征尺寸則縮減到一根頭發絲直徑的三千分之一。

這個神奇的寶貝，其設計與制造可是一項集高精尖于一體的復雜系統工程。設計一款芯片，科研人員首先要明確需求，確定芯片的“規范”，定義諸如指令集、功能、輸入/輸出引腳、性能與功耗等關鍵信息，再將整個電路劃分成若干個小模塊，運用計算機語言為每個模塊建立模型，設計出芯片的電路“版圖”，并將數以億計的電路按其連接關系有規律地翻印到一個硅片上。至此，芯片設計才算完成。

芯片設計復雜，制造更難。現代集成電路芯片是采用硅材料制造的，硅材料的主要組成部分就是地球上遍地皆是的沙子。因此，芯片也被稱為“沙中世界”。硅經過熔煉得到純凈的“單晶硅錠”后，要把硅錠橫向切割拋光做成一個個晶圓。芯片的制造就是把一個集成電路的設計版圖，通過光刻、注入等程序，重復轉移到晶圓的一個個管芯上，再將管芯切割，經過封裝、測試、篩選等工序，完成整個制造過程，一顆顆芯片就這樣生產出來了。

事實上，芯片的設計與制造遠比上面的描述復雜得多，難度甚至讓人無法想象，正因為如此，世界上目前只有極少數國家能設計和制造芯片。

軍事應用：武器裝備信息系統的基石

芯片自從誕生以來，便成為信息產業的核心，它在需求牽引下迅猛發展，又在不斷發展中廣泛應用。在世界軍事領域，芯片作為核心元器件，已成為高技術武器裝備信息系統的基石。

早在20世紀50年代末，美國投入大量人力財力研發半導體集成電路，其初衷就是為了實現軍用電子裝置的小型化，以提高武器裝備性能。1972年11月，世界第一款微處理器在美國誕生，也首先在軍事領域中獲得應用。

實際上，芯片的不斷發展得益于軍事需求的牽引，它可以提升傳統武器裝備的信息化水平，甚至可以將其改造成智能武器。對于高技術裝備武器，芯片更是不可或缺，美軍F-22戰機的有源相控陣雷達裝有2000個高功率收發芯片模塊，使戰機看得更遠、打得更準，作戰能力成倍提升。美軍的阿姆拉姆空空導彈，依靠組合制導芯片可以實現發射后不監管和多目標攻擊。網絡電磁空間、無人作戰平臺等作戰領域，更是離不開芯片。

可以說，芯片的性能在很大程度上決定了信息化裝備武器的性能，也影響和制約著信息化武器裝備的發展。例如，芯片的體積制約小型化武器的尺寸，芯片的處理能力決定智能武器實時計算性能，芯片的輸出功率影響武器的探測與通信距離，芯片的功耗限制武器野外工作時間，芯片的精度影響武器的定位與打擊精度等。

由此可以看出，芯片不僅決定武器裝備的性能，更影響戰爭的勝負。未來戰爭與其說是鋼鐵之戰，不如說是芯片之戰。

未來發展：方興未艾，競爭激烈

誰能夠掌握高端芯片的設計與制造，誰就是未來信息社會的弄潮兒。芯片對于一個國家和軍隊的信息化建設的重要性毋庸置疑，這使得芯片的研發一直處于方興未艾和激烈競爭狀態，許多國家不惜投入重金研發與應用芯片，以搶占信息技術的制高點。

縱觀芯片的發展，其基本遵循著摩爾定律的發展速度，芯片上可以容納的晶體管數量每隔18個月就會翻一番。2014年，每個晶體管尺寸已開始接近一個原子尺寸。人們雖不確定未來是否繼續遵循這一規律發展，但可以肯定的是，芯片的性能將不斷提升，功耗和體積則會進一步減小。當前蓬勃發展的減小特征尺寸技術、片上系統（SoC）技術、微機電集成系統（MEMS）技術等，將主導芯片的未來發展方向。

減小特征尺寸技術有望將集成電路帶入“自組裝”的納米電路時代，微機電集成系統的功能越來越廣，片上系統技術的集成度越來越高。未來，微機電集成系統技術、片上系統技術將結合起來，一起朝著“納光機電生”異質集成方面發展。這些技術對芯片的未來發展將產生不可估量的影響，也必將進一步促進武器裝備信息系統的小型化、智能化，使武器裝備向著高性能、高精度、高功率、高可靠和低能耗方向發展。面對芯片技術的飛速發展，我們應瞄準前沿，抓住機遇，進一步增強信息領域的自主創新能力，努力把事關國家安全利益的核心技術掌握在自己手中，實現信息系統的自主可控、安全可靠。