创造现代世界的15个半导体里程碑

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电子半导体世界有着丰富的历史,下面展示的仅突出显示了这个改变世界的行业中很少的重要里程碑。

第一个晶体管

1947年,位于新泽西州默里山的贝尔实验室展示了一种锗(Ge)点接触晶体管。在威廉·肖克利(William Shockley)的领导下工作的三个人是晶体管的发明者约翰·巴尔丁(John Bardeen)和沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)。他们共同分享了1956年诺贝尔物理学奖。

首款IC芯片

罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)于1959年发明了第一块单片硅(Si)集成芯片(IC)。该芯片是使用让·霍尼(Jean Hoerni)的平面工艺和穆罕默德·阿塔拉(Mohamed M. Atalla)的表面钝化工艺制造的。一年前的1958年,杰克·基尔比(Jack Kilby)用锗(Ge)创建了第一款混合集成电路。

尽管Morris Tanenbaum在Bell Labs制造了第一个硅晶体管,但第一个商用硅器件是由Texas Instruments工程师制造的。

1957年,诺伊斯(Noyce)与威廉·肖克利(William Shockley)的半导体实验室的其他7人共同组成了仙童公司(Fairchild)-朱利叶斯·布兰克,维克多·格林尼奇,让·霍尔尼,尤金·克莱纳,杰伊·拉斯特,戈登·摩尔,罗伯特·诺伊斯和谢尔顿·罗伯茨。在亚瑟·罗克(Arthur Rock)的协助下,后者后来成立了第一批西海岸风险投资公司,由诺伊斯(Noyce)领导的八个人筹集了138万美元,成立了飞兆半导体(Fairchild)。1968年,Noyce与Gordon Moore共同创立了英特尔公司。

MOS技术

大多数现代IC芯片都是由金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)构成的,也称为MOS晶体管。这些器件是由Mohamed Atalla与Bell Labs的Dawon Kahng于1959年发明的。MOSFET是第一个真正的紧凑型晶体管,可以进行微型化并批量生产,可用于多种用途。

第一个存储芯片

在英特尔1103是第一个商业的一个 DRAM IC芯片,在1970年十月推出它是由罗伯特·丹纳德博士在IBM于1966年发明了丹纳德还开发了IC,可后来的特点是摩尔定律的比例原则。

据Mentor Graphics的名誉首席执行官Wally Rhines博士说,在引入DRAM芯片之前,MOS移位寄存器已经在市场上。存储器的MOS实际序列从移位寄存器开始。但是第一个实现的是采用1K DRAM的1103英特尔。一些观察家指出,AMD在市场上实际上比英特尔先于DRAM,但它对市场的影响似乎有限。许多人同意Intel 1103是第一个真正的大容量存储芯片。英特尔随后采用了EPROM。

硅谷

硅谷位于北加利福尼亚州旧金山湾区的南部,长期以来一直是全球高科技,创新,风险投资和社交媒体的中心。硅谷的“硅”一词指的是该地区大量专注于硅基MOS晶体管和集成电路芯片的创新者和制造商。山谷中第一家重要的公司是惠普(HP),由两名斯坦福工程师于1939年成立。惠普成长为硅谷最大的雇主之一。1956年,诺贝尔物理学奖获得者威廉·肖克利(William Shockley)创立了肖克利半导体公司(Shockley Semiconductor)制造晶体管。如前所述,飞兆半导体国际公司成立于1957年,是飞兆相机与仪器事业部的一个部门。

芯片封装

许多公司为封装集成电路的塑料包装的发展做出了贡献。但是,IC封装技术历史上的确切日期很难找到。最早的单功能,分立电路被包装在陶瓷扁平包装中,多年来由于其可靠性和小尺寸而继续被军方使用。商业多功能集成电路封装迅速转移到双列直插式封装(DIP),首先是陶瓷,然后是塑料。

由于易受潮和可靠性问题,塑料包装大大降低了以前以陶瓷密封包装出售的半导体组件的成本。塑料封装的开发与外涂层技术(主要是氮化硅)结合在一起,后者在芯片上提供了近乎气密的密封。

早期DIP芯片的一个示例是可擦可编程只读存储器(EPROM)集成电路。这些包装有一个透明的窗口,显示了内部模具。该窗口用于通过将芯片暴露在紫外线下来擦除内存。

光刻

光刻是半导体芯片制造中的关键制造技术。它可以使电子电路小型化。

1957年,美国陆军钻石弹药保险丝实验室的Jay Lathrop和James Nall获得了光刻技术的专利,该技术用于沉积薄膜金属条,以在陶瓷基板上连接分立晶体管。1959年,拉斯洛普(Lathrop)加入了德州仪器(Texas Instruments),纳尔(Nall)去了飞兆半导体公司(Fairchild Semiconductor)。杰伊·拉斯特(Jay Last)和罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)于1958年在飞兆半导体公司制造了第一批“步进重复”相机,使用光刻技术在单个晶片上制造了许多硅相同的晶体管。

1961年,GCA Corporation的David W. Mann部门是第一家生产商业化的台阶式和重复式掩模减少设备(光中继器)的公司。伯特·惠勒(Burt Wheeler)是开发用于掩模制造的曼恩光电中继器的三名关键工程师之一。为此,他在1981年获得了SEMI奖。奥布里·比尔·托比(Aubrey C.“ Bill” Tobey)第一个预见到该光中继器可以改装为晶圆步进机。Griffith“ Grif” Resor是其首席开发工程师,其团队得以实现,为此他于1992年获得了SEMI奖。

MEMS技术

微机电系统或MEMS最初是在1960年代提出的,但直到1980年代才完全商业化。MEMS是用IC制造技术开发的,以形成微型机械设备和系统,可以连接到同一芯片上的电子电路。这样,可以将MEMS与控制它们的电路一起组装在硅芯片上。现在,插入层叠式晶圆管芯的问世,这种功能已不再像以前那么重要。

MEMS器件的早期示例是谐振门晶体管,它是MOSFET的改型,由Harvey C. Nathanson于1965年开发。另一个著名的示例是数字微镜器件(DMD),它是一种基于MEMS的快速阵列。反射型数字光开关与数字地址电路集成在硅芯片上。DMD由Larry J. Hornbeck在1987年初开发。

微处理器的创建

微处理器是微处理单元(MPU)的缩写,构成了现代计算和嵌入式世界的基础。它是一种软件编程的硅设备,可以执行所有基本的逻辑计算任务。

MOS工艺技术可创建包含数百个逻辑门的大规模集成(LSI)芯片。1965年,计算器制造商Victor Comptometer与General Microelectronics(GMe)签约,为其第一款基于MOS的电子计算器设计定制IC。到1969年,罗克韦尔微电子公司为夏普的第一台便携式机器生产了设备。Mostek和TI于1971年推出了单芯片解决方案。同年,英特尔为日本计算器制造商Busicom推出了MCS-4微型计算机套件。英特尔芯片组基于4位微处理器4004。

片上系统(SoC)

顾名思义,芯片上的系统将通常在计算机或其他电子系统上找到的所有或大多数组件集成到一个单片芯片上。这些组件包括中央处理器(CPU),内存,输入/输出端口和辅助存储。它可能包含数字,模拟,混合信号以及通常的射频信号处理功能。

1990年代初引入了第一批SoC,半导体工艺技术达到了350至250纳米(即0.35和0.25微米)。例如,在1992年,Acorn Computers使用ARM250 SoC生产了一系列个人计算机。它将原始的Acorn ARM2处理器与内存控制器(MEMC),视频控制器(VIDC)和I / O控制器(IOC)相结合。

发光二极管(LED)

发光二极管(LED)是一种半导体光源,当电流流过时会发光。1962年,美国专利局为TI的James R. Biard和Gary Pittman颁发了GaAs红外发光二极管的专利。这是第一个实用的LED。最早的LED发出低强度红外(IR)红光。

后来出现了其他颜色的LED。例如,中村,天野浩和赤崎勇因发明蓝色LED荣获2014年诺贝尔物理学奖。中村于1993年展示了一种高亮度蓝色LED。

有趣的旁注:在斯坦福大学期间,Wally Rhines(后来成为Mentor Graphics的首席执行官)与他人共同发明了掺杂镁的氮化镓蓝色发光二极管,他,Herb Maruska和David Stevenson为此获得了美国专利。1974年。赤崎勇(Isamu Akasaki)直接基于这项氮化镓研究,最终与天野弘(Hiroshi Amano)和中村修二(Shuji Nakamura)一起荣获2014年诺贝尔物理学奖。

无工厂商业模式

半导体生产的无晶圆厂制造模式极大地推动了芯片行业的大规模增长。无晶圆厂制造使半导体芯片的设计和销售可以在一个行业中进行,而实际的制造(或晶圆厂)则外包给半导体代工厂。无晶圆厂公司可以从较低的资本设备制造成本中受益,同时可以集中精力进行芯片设计和销售。现在,大多数铸造厂都位于亚洲。

Gordon A. Campbell与Dado Banatao一起于1984年成立了Chips and Technologies(C&T),这是一家早期的无晶圆厂半导体公司。坎贝尔因创建无晶圆厂业务模型而倍受赞誉。

几个月后,伯尼·冯·施密特(Bernie Vonderschmitt)使用无晶圆厂半导体业务模型为Xilinx生产FPGA。冯·施密特(Vonderschmitt)会见了草间山(Kusama-san),同时将RCA CMOS技术授权给了精工(Seiko)进行手表业务。

由于无晶圆厂模式的发展,越来越多的公司开始开发和购买半导体知识产权(IP)。EDA软件工具芯片设计领域的大部分收入来自IP许可。

现场可编程门阵列(FPGA)

与ASIC半导体芯片不同,FPGA是可以在制造后由用户配置或重新配置的IC。Altera成立于1983年,并于1984年提供了一种可重新编程的逻辑器件,该器件的包装中带有一个石英窗口,允许用户使用紫外线对EPROM单元进行重新编程。

1985年,Xilinx联合创始人Ross Freeman和Bernard Vonderschmitt发明了第一个可行的现场可编程门阵列。他们的技术具有可编程门和门之间的可编程互连,以及带有两个三输入查找表(LUT)的可配置逻辑块(CLB)。

如前所述,Bernie Vonderschmitt于1985年成为无晶圆厂(知识产权IP)半导体业务模型的创始人。与此同时(并非偶然),Vonderschmitt利用了他与精工公司的Saburo Kusama的关系,希望精工公司愿意为Xilinx生产FPGA。冯·施密特(Vonderschmitt)会见了草间山(Kusama-san),同时将RCA CMOS技术授权给了精工(Seiko)进行手表业务。

寄存器传输级(RTL)

寄存器传输级(RTL)抽象用于根据硬件寄存器之间的数字信号流以及对这些信号执行的逻辑运算来对同步数字电路建模。

Clive“ Max” Maxfield和Kuhoo Goyal Edson 在他的书“ EDA- 电子从何而来”中这样说:):“因此,与使用原理图相反,高端集成电路的功能现在可以通过使用文本硬件描述语言(HDL)–通常是Verilog或VHDL。最初,此功能是在称为RTL的较高抽象级别上进行描述的。在描述功能时,设计工程师可以决定重用先前设计中的RTL描述或功能块。而且,他们可能决定从第三方设计公司购买等效的知识产权(IP)块。”

有很多专家为Verilog和VHDL的芯片开发RTL设计语言做出了贡献。其中包括Verilog的Phil Morby和Prabu Goel,以及此前的VHDL的IBM和TI。2005年,Phil Morby因发明和推广Verilog硬件描述语言而获得了电子系统设计联盟(ESDA)的Phil Kaufman奖。

RTL,Verilog和VHDL推动了EDA芯片开发软件工具市场的建立,这极大地促进了电子设计,测试和制造的生产力。

半导体与量子计算

量子计算有望带来更快,更高效的计算机。由于量子计算基于物理材料,因此材料的选择非常重要-就像在半导体芯片开发过程中一样。在进展原子工程和先进的半导体制造技术在量子计算系统的发展有很大的帮助。甚至有人试图将量子发展等同于半导体著名的摩尔定律。现在,每年的性能成倍增长成为量子计算机的基准,因为设计人员希望EDA供应商提供新的自动化工具。

半导体和EDA芯片设计工具市场上的任何人都非常熟悉“每年翻一番”这个词。正如IBM在最近的新闻发布中所引用的那样 ,戈登·摩尔(Gordon Moore)在1965年提出的假设是,对于半导体计算机,每个集成功能的组件数量将成倍增长。

自2017年以来,IBM量子技术的进步显示出与摩尔定律有关的晶体管定标相似的早期增长模式,从而支持了量子体积(QV)每年也需要翻倍的前提。这种加倍可以作为实现量子优势的路线图。

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