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1、高技术微电子学的发展前景 ProsPeetsfortheDev eloPmentofMieroeleetronies许居衍 (中国华晶电子集甲公司,教授无锡2 14 06 1)郑左 (东南大 学无锡分校,教授无锡2 1 406 1)一、硅技术发展逻辑合以克服外互连问题,进而直 接利用分子组装技 术,制造有开关性能的生物器件,把微电子学推到 分子电子学的发展阶段。一切技术的发展,都要受到技术自身发展逻辑 的约束。硅微电子是微电子学的一个重要发展阶 段,从方法论上讲,这种技术实质上是“硅上印刷电 路”。;因此,硅微电子技术发展的 自身逻辑,取决于 硅上晶体管物理定律及其互连限制。晶体管遵从在统计物
2、理学基础上的 肖克莱理 论,即当器件尺 寸缩小到一定范围时,便会受到统 计涨落、高场效应和热力学效应等 约束,其有效工 作区就会缩小。同时,器件间的互连电阻、电容和线间绝缘等问题也变得十分突出。一个明显的事实 是,在高 密度集成情况下,元件间 的布 线不仅决定 芯片面积大小,而且还影响着许多重要性能,比如 速度等。上述限制促使硅微电子工业从单纯加工技 术驱动 型向生产、服务驱动型过渡,追求在扩大硅 技术应用中创造高额利润。与此同时,也出现了一 些技术突破前的重要先兆:多元素(如GOAs )电路在引人期的发展速度,大大超过了单元素 ( Si )电路 的 同期水平;半导体学在超晶格领域中的研究,超
3、 过了4 0年前p一n结理论研究的盛况;“模糊逻辑”在“二值逻辑”丰硕成果的基础上,获得了重要的应 用;神经网络研究在超大规模集成电路( VLS I)技术的促进下,也已进人了实验模拟阶段;自1 9 52年发 现脱氧核糖核酸(O N A)结构以来,人们开始在实验 室做出 了生物开关和传感之类的器件原型。根据以上量变特征和质变前的先兆现象,我们 可以预见,微电子技术在沿着器件镶嵌集成道路前 进受阻时,其器件结构将从肖克莱器件发展到量子 阱器件并向更高级的分子器件方向发展,而相应的 材料结构则从单元素发展到 多元素并进而向更复杂的有机物方向过渡。亦即,一个合乎逻辑的发展 前景是利用周期性隧道效应实现
4、器件间 的电子藕二、应用对象的发展要求硅微电子器件是用于组装终端产品(整机或装 置)的零件。终端装置由“硬件”和“软件”组成,前者 是自然界的物理仿形,后者则包括进行物理仿形所 涉及的工艺技巧与知识,以及使该仿形生成近似自然现象的功能仿真。终端装置的进步就表现在功能 仿真的真实程度上。终端装置是由许多零件组成的。过去在分立器 件的 电子学(如电子管)时代,人类在自然功能仿真 上遇到了一个不 可逾越的 困难:提高终端装置功 能,就得增 加零件,而零件数量的增多不仅增 加了成本,而且也使装置的可靠性大大降低,从而 阻止 了装置的进一步提高。现在,集成技术在提高装置 功能时,不是通过堆积零件数量,而
5、是借助零件微 细化和集成化并举的方法来达到目的,因而在提高装置性能时反而降低了总成本,在技术与经济间形 成了良性发展循环。这就是在硅微电子技术基础上 发展起来的电子工业成为既成熟又年青的工业的 奥秘所在。一种功能(如电视)的终端装置在进人商业成熟期后,由于采用了零件微细化和高集成化技术,就会以新颖的形式(数字化日O 丁V )转人引人期。集成化程度日益提高,使电子产品分类界线自渐模 糊,一个终端装置有时又可视为一个大零件。根据上述规律,运用目标预测方法,可以预计,终端装置在经过分立零件堆积和零件集成装配之 后,为适应终端装置自然仿真的发展要求,必然 朝 着零件多 功能化、智能化道路,向着仿生电子
6、方向发展。在下一世纪中,人类有可能开发出一 种耗能 低而工作可靠的生物机器人。18Seie n e eandTeehnologyRe view7八9 9 5三、社会生产力演变历程人和一切生物一样,最本质的自然特征是求生 存,人和生物不仅要在自然环境中选择并改造自己 的存在空间,而且还在同类间开展各种形式的竞争 或竞赛,以获取与保持生存优势。人类的生存竞争 导致了人类社会的演变与进步。这些演变与进步是 由许多变革的细流汇成的。但是从技术角度看,工 具则是进步的最本质的综合表征。历史上人类已经 历了“石器”和“铁器”等工具文明时代,现在 正面临 着由硅芯片引起的信息革命,因此可称之为“硅器”文明时
7、代。在工业社会中,钢铁是国力的标志,是发 展生产力和振兴经 济的支柱。现在,半导体硅工业 则已替代钢铁工业的社会地位,成为社会进一步发 展的基础工业。铁是工业社会的“骨骼系统”,是人 类的体力的延伸;而 硅 则是信息社会的“神经系 统”,成为人类脑力的延拓。根据人类文明 的这一发 展趋势,可以相信,人类在掌握了金属(铁)、非金属(硅)材料之后,有可能进而掌握更复杂的有机材 料,而相应的有机物器具的开发则将使人类从延伸 体力、延拓脑力发展到仿制生命。这就是说,生命工 程应该成为人类下 一个“猎物”。生命工程研究生命 机理与仿生机器两个相互联系 的主题,后者主要涉 及分子电子学科,其中包括有机材料
8、、生物芯片 和 生物装置等。四、结论及其思考上述分析表明,硅微电子技术在经历了分立功 能器件、功 能机械集成之后向“功能物理集成”(生物 芯片)发展;终端装置,即电子整机则由分立零件 堆积仿形、零件集成仿形向“功能自然仿真”(生物装置)发展;人类在掌握了金属铁器、非金属硅器等 时代工具后,将向掌握有机物器具方向过渡。三个 不同层次的分析,得到了互不相悖的前景:零件向 生物芯片方向演变,为创造低耗能、自修复、超性能 的生物装置创造条件,从而有可能使人类进人一个 创造生命的发展阶段,而生命机理的探明又为仿生芯片与仿生装置的制造奠定基础。微电子学从“集成”的逻辑发展将促使目前的半导体微电子学发展 到
9、生 物或分子电子学,而生物电子学的崛起则将把 人类工具文明推向一个崭新的生 物 或 生命工程时 代。以上分析了学科和人类工具的发展逻辑。另一 方面,从工具技术及其文明的地域聚集效应上分 析,我们看到 与技术突破相对应的人类文明中心的 转移擅变也遵从一定的规律。在明朝前,我国曾长期处于技术经 济的领先地位,成为以农业技术为标 志的文明 中心。中世纪后,这种文明沿着古丝绸之 路由西 安经罗马西传英国,酝酿并形成了人类第 一 次工业革命。1 9世纪末,这种以工业技术为标志的 文明,又绕过大西洋传到北美东海岸,并使铁器文 明达到峰极的地步。本世纪5 o 年代末,在美国新泽 西州发明的半导体技术西行传到
10、加州,形成了世界 著名的技术密集城硅谷。8 0年代,这种以信息 技术为标志的硅器文明又渡过太平洋西行到了日 本。从这些历史嫂变中,我们看到了两个重要的史 实。一是,技术经济文明的扩散与传递是不以社会 制度、人文背景和地域为转移的,但是只有很少一 些地区(中、英、德、美)演变成了文明的 中心,在 那 里人类文明得到了升华。二是,这些近代文明中心 总是沿着3 5。上下的一个纬度带,自东向西,单向转 移。根据上述历史逻辑,可以推测下 一轮文明中心要么按历史轨迹复归中国,要么越过中国西渡欧洲 (德国?)。显然,全人类都期待前者成为现实,否则 人类延误的将是一个大循环周期。中国是古生物技 术、古人体科学
11、的发祥地,太平洋地区又是未来经 济中心,1 9 8 6年飞越太平洋的航运开始超过大西 洋,历史与现实可能为我们提供了某种机遇。因此,我们中华民族必须同舟共济,奋起直追,通过引种 硅器文明,在硅微电子技术高度发达的进程中,孕 育以生物芯片为标志的新一代微电子 技术,继而促 进生 物技术、生命工程世纪的来临,为人类文明在 新形态下复归中 国做出伟大的贡献。(责任编辑肖庆山)(上接第 3 5页)作用也会消失。大范围温度和降雨变化也可能在一 些区域造成严重的农业灾害。英美科学家罗森思威 格和 帕瑞(Ro s e nzweig和Pa rry)在1994年预测,到2060年低纬度地区的温度变化即使低于全球平 均值,作物仍可能减 产;高纬度地区气候变化同CO:肥料效应一起可能促使作物增产,增产幅 度在 欧美发达国家可能超过3 0%,但在发展中国家增产 不到1 0%,甚至不增产反而减产。增产多少取决于能否对农业生产进行适当的调 整,包括改变播种日 期、增施肥料、扩大灌溉面积和作物品种 改良等我 国未来的农业生产需要考虑COZ。上升和全球气 候变化对各种农作物的综合影响,以科学研究试验数据为基础,调整栽培 生产技术措施,充分利用 CO:的增 产效应和各种农业资 源,提高作物产量,满足人口增长和生活水平不断提高的需要。(责任编样)科技导报7/1 9 9 51 9
