国防科普加油站（26）集成电路芯片：装备信息系统的基石

著名科技期刊《麻省理工科技评论》最近评选出2014年全球10大突破技术，美国高通公司研发的高通神经形态芯片入选其中。

2012年12月，欧洲一家机构用3年时间研发出全球体积最小的完整雷达芯片，利用多普勒雷达成像技术，该芯片能检测到移动的物体和它们的速度。

2014年8月，IBM公司研制出一款能够模拟人脑神经元、突触功能以及其他脑功能的微芯片，擅长完成模式识别和物体分类等繁琐计算任务，这是模拟人脑芯片领域所取得的又一大进展。

2014年6月，国务院批准实施《国家集成电路产业发展推进纲要》，我国集成电路产业将带来新的发展契机，对确保我国信息安全具有重要意义。

探秘“芯”世界：开启智慧大脑

芯片又叫集成电路，它是通过微细加工技术，把半导体器件制造在硅晶圆表面上获得的一种电子产品。这一专业术语有点拗口，实际上，它是将多达几亿个微小的晶体管连在一起，以类似用底片洗照片的方式翻印到硅片上的“集成电路”。晶体管很小，小到一根头发丝直径里能放下1000个，而制造出来的芯片也只有指甲盖那么大。

芯片虽小，能耐却大得惊人，它具有信息采集、传输、处理和存储功能，是现代电子设备中最核心的部分，在信息化世界里无处不在。在日常生活中那些带“电”的产品，几乎都嵌有芯片，只是藏身幕后，并不显山露水，但它作用非凡。在军事领域，它更是能让武器装备如虎添翼。有了采集芯片，武器装备就如同有了“千里眼”和“顺风耳”；有了信息处理芯片，武器装备能具有像人一样的“智慧大脑”；有了通信芯片，就能将各种装备与作战单元连接起来进行体系对抗；而存储芯片，则能保存各种战场数据，进行作战效能和毁伤评估。

设计制造：集高精尖于一体

今年2月，美国英特尔公司推出了新款“至强”系列微处理器（代号Xeon E7 v2），引起了世界信息技术领域不小的震动。其单芯片上集成的晶体管数量达到43.1亿个，制造工艺由1972年芯片诞生时的10微米缩减至22纳米。这一成果表明，在芯片发展的40多年里，性能和复杂度已提高了1800万倍，晶体管的特征尺寸则缩减到一根头发丝直径的三千分之一。

这个神奇的宝贝疙瘩，其设计与制造可是一项集高精尖于一体的复杂系统工程。设计一款芯片，科研人员首先要明确需求，确定芯片的“规范”，定义诸如指令集、功能、输入输出管脚、性能与功耗等关键信息，再将整个电路划分成若干个小模块，运用计算机语言为每个模块建立模型，设计出芯片的电路“版图”，并将数以亿计的电路按其连接关系有规律地翻印到一个硅片上。至此，芯片设计才算完成。

设计复杂，制造更难。现代集成电路芯片是采用硅材料来制造的，硅材料的主要组成部分就是地球上遍地皆是的沙子。因此，芯片也被称为“沙中世界”。硅经过熔炼得到纯净的“单晶硅锭”后，要把硅锭横向切割抛光做成一个个晶圆。芯片的制造就是把一个集成电路的设计版图，通过光刻、注入等程序，重复转移到晶圆的一个个管芯上，再将管芯切割后，经过封装、测试、筛选等工序，便完成了整个制造过程，一颗颗芯片就这样生产出来。

事实上，芯片的设计与制造远比上面的描述要复杂得多，难度甚至让人无法想象，正因为如此，世界上目前只有极少数国家能设计和制造。

军事应用：武器装备信息系统的基石

芯片自从诞生以来，便成为信息产业的核心，它在需求牵引下迅猛发展，又在不断发展中广泛应用。在世界军事领域，芯片作为核心元器件，已成为高技术武器装备信息系统的基石。

早在20世纪50年代末，美国投入大量人力财力研发的半导体集成电路，其初衷就是为了实现军用电子装置的小型化，以提高武器装备性能。1972年11月，世界第一款微处理器在美国诞生后，也首先在军事领域获得应用。实际上，芯片的不断发展得益于军事需求的牵引，它可以提升传统武器装备的信息化水平，甚至可以将其改造成智能武器。对于高技术装备武器，芯片更是缺一不可，美军的F-22战机的有源相控阵雷达装有2000个高功率收发芯片模块，使战机看得更远、打得更准，作战能力成倍提升。美军的阿姆拉姆空空导弹，依靠组合制导芯片可以实现发射后不管和多目标攻击。在网络电磁空间、无人作战平台等作战领域，更是离不开芯片。

可以说，芯片的性能在很大程度上决定信息化装备武器的性能，也影响和制约着信息化武器装备的发展。比如，芯片的体积制约小型化武器的尺寸，芯片的处理能力决定智能武器实时计算性能，芯片的输出功率影响武器的探测与通讯距离，芯片的功耗限制武器野外工作时间，芯片的精度则影响武器的定位与打击精度等。由此可以看出，芯片不仅决定武器装备的性能，更影响战争的胜负。未来战争与其说是钢铁之战，不如说是芯片之战。

未来发展：方兴未艾竞争激烈

谁能够掌握高端芯片的设计与制造，谁就是未来信息社会的弄潮儿。芯片对于一个国家和军队的信息化建设的重要性毋庸置疑，这使得芯片的研发一直处于方兴未艾和激烈竞争状态，许多国家不惜投入重金研发与应用，以抢占信息技术的制高点。

纵观芯片的发展，基本遵循着摩尔定律的发展速度，芯片上可以容纳的晶体管数量每隔18个月就会翻一番。由此推算，2020年时，每个晶体管尺寸将接近一个原子。人们虽不确定未来是否继续遵循这一规律发展，但可以肯定的是，芯片的性能将不断提升，功耗和体积则会进一步下降，而正蓬勃发展的减小特征尺寸技术、片上系统（SoC）技术、微机电集成系统（MEMS）等技术，将主导着芯片的未来发展方向。

减小特征尺寸技术有望将集成电路带入“自组装”的纳米电路时代，微机电集成系统的功能越来越广，片上系统技术的集成度越来越高。并且微机电集成系统技术、片上系统技术将结合起来，一起朝着“纳光机电生”异质集成方面发展。这些技术对芯片的未来发展将产生不可估量的影响，也必将进一步促进武器装备信息系统的小型化、智能化，使武器装备向着高性能、高精度、高功率、高可靠和低能耗方向发展。我们应瞄准前沿，抓住机遇，进一步增强信息领域的自主创新能力，努力把事关国家安全利益的核心技术掌握在自己手中，实现信息系统的自主可控、安全可靠。

（作者：扈啸 来源：国防科技大学“科普中国”共建基地）