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芯片的奥秘
发布日期:2011-7-29  浏览次数:1255 

  别看小小一块芯片,它浓缩了电子技术的精髓。它的诞生将引领一场新的革命,其实际应用范围覆盖了军工、民用的几乎所有的电子设备。由此,将随我揭开它神秘面纱。

    认识芯片:

  所谓芯片,通常是指内含集成电路的硅片,其体积很小,却是电子设备中最重要的核心部件,承担着运算和存储的功能。我们的第二代身份证、交通卡、社保卡等,都离不开这个小小的硅片,其实际应用范围覆盖了军工、民用的几乎所有的电子设备。
  最有代表性的是计算机。芯片位于电脑的主板之上,成组出现。芯片组是电脑主板的灵魂,几乎决定了这块主板的功能,进而影响到整个电脑系统性能的发挥。
  别看小小一块芯片,制作过程却相当复杂,通常需要经过芯片设计、晶片制作、封装制作、成本测试等几个环节,都属于高新技术,其中晶片制作技术要求尤为苛刻。
  具体而言,芯片的原料是晶圆,而晶圆的成分是硅,由石英砂精炼出来。将硅元素纯化至99.999%,并制成硅晶棒,然后切片成为晶圆。晶圆切得越薄,工艺要求越高。
  对晶圆进行涂膜,光刻显影、蚀刻,然后植入离子,生成相应的P、N类半导体,这就是晶片。可以说,这是一个相当专业的加工处理过程,大致上就是让晶圆变成特定需要的模样,并改变其导电方式,使每个晶体管可以通、断,或携带数据。于是,晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。再经过测试、封装,芯片就制造出来了。简单的芯片可以只用一层,而复杂的芯片通常就有很多层了。

    芯片来源:

  由此可见,芯片实质上就是集成电路。这是1958年由美国一个叫杰克?基尔比的人发明的,30年后的2008年,他最终获得了诺贝尔奖。
  当年,34岁的杰克?基尔比被总部位于达拉斯的德州仪器公司所聘用。这家1930年成立的新兴公司,让基尔比研究电子领域最为重要的课题,即“网络连接”或者“线路”。正是这一课题,最终成就了芯片的发明。
  20世纪的前50年,在电子产业占主导地位的是真空管技术,但其缺陷是:脆弱、笨重、不可靠、功耗高以及产生热量大。为此,美国贝尔电话实验室于1947年发明了晶体管。相比之下,晶体管体积更小,更可靠、耐用、产热少以及功耗低。工程师可以用于设计更为先进的电路和设备,包含有成千上万的离散部件,如晶体管、二极管、整流器和电容器。但问题是,数以千万的这些部件相互连接以组成电路,完全要靠手工焊接,不但价格昂贵、加工耗时,而且还不可靠,因为每个焊接点都有可能出现问题而影响全局。如何解决这个问题?
  全世界的工程师都在寻求解决方案。美国陆海空三军甚至还为此花了几百万美元。然而,成功的恰恰是杰克?基尔比。“我是该领域不知天高地厚的新手,并不知道别人认为不可能的东西,因此我不排除任何可能。” 1976年,在其一篇名为“集成电路的发明”的文章中,杰克?基尔比这样写到。
  杰克?基尔比发现,在半导体车间,唯一可以以高成本效益制造的产品就是半导体。“我形成的结论是半导体就是真正全部所需的东西,尤其是电阻器和电容器(无源设备)可以用与有源设备(晶体管)相同的材料制造。另外我还意识到,既然所有部件都可以用同一块材料制造,那么这些部件可以先在同一块材料上就地制造,再相互连接,最终形成完整的电路。”
  这是电路史上一个大胆的突破。没有电线,没有焊接,大量的元件压缩在一个小小的空间里。你能把整个计算机电路放在大小如婴儿指甲般的芯片上。
  而在当初,1958年7月24日,基尔比只是把这个想法匆匆写在自己的笔记本上:“在一个单片上可以安置以下电路元件:阻抗器、电容器、分配电容器、晶体管。”这个新来的工程师胆怯地问他的老板:是否能制造集成电路的试验模型。老板同意了,但不想浪费很多钱。他要基尔比造一个叫作相位转换振荡器的简易电路。这种普通装置能把直流电变成交流电。
  9月12日,基尔比成功制造出这一装置,并通过了德州仪器公司显赫人物的检验。当他打开电源时,一缕耀眼的绿光开始滑过屏幕,它代表来自交流电的一种波浪形正弦曲线。
  微芯片起作用了。电子学的新时代诞生了。
  几个月后,另一个美国人罗伯特?诺瑟(Robert Noyce)(与人共同成立了Intel公司)几乎找到了相同的解决方案。诺瑟的方法事后证明更加容易制造。因此,诺瑟通常被说成是芯片的共同发明人。
  毫无疑问,芯片的发明改变了整个电子产业。它是自原油以来最重要的工业品,没有它,就不可能有私人电脑或手机,也没有因特网。

    芯片受宠:

  目前,芯片技术的应用领域已非常广泛。在生物、化学和医学等领域,各种生物传感器和微型分析仪器相继出现,如芯片毛细管电泳仪、气体传感器及用于观察单个神经元细胞生长情况的仪器等。生物芯片是重要的应用领域。
  1991年,Affymax公司Fodor等人提出DNA芯片的概念,以DNA芯片为代表的生物芯片技术得到了迅猛发展,目前已有多种不同功用的芯片问世,有的已经在生命科学研究中开始发挥重要作用。所谓的生物芯片,即应用于生命科学和医学领域中,作用类似于计算机芯片的器件,它将生命科学中许多不连续的过程,如样品制备、化学反应和检测等步骤移植到芯片中并使其连续化和微型化,这与当年将数间房屋大小的分离元件计算机,缩微到只有书本大小的笔记本计算机具有异曲同工之效。
  这种基于微加工技术发展起来的生物芯片,可以把成千上万乃至几十万个生命信息集成在一个很小的芯片上,对基因、抗原和活体细胞等进行测试分析。运用这些生物芯片制作的各种不同用途的生化分析仪,与传统仪器相比,具有体积小、重量轻、成本低、便于携带,以及防污染、分析过程自动化、分析速度快、所需样品和试剂少等诸多优点。
  目前生物芯片已不再局限于基因序列测定和功能分析这样的应用,新派生的一批技术包括:芯片免疫分析技术、芯片核酸扩增技术、芯片精虫选择和体外受精技术,芯片细胞分析技术和采用芯片作平台的高通量药物筛选技术等。这类仪器的出现将为生命科学研究、疾病诊断和治疗、新药开发、司法鉴定、食品卫生监督以及航空航天、军工等领域带来一场革命。

  按照央行今年3月15日发布的《中国人民银行关于推进金融IC卡应用工作的意见》的精神,中国几大银行,包括工、农、中、建、交和招商、邮储银行要在6月底前开始发行金融IC卡,其通俗称呼就是芯片银行卡。
  根据中国银联此前发布的信息,今年4月底,工行、交行就已经在全国发行符合央行标准的银联标准芯片卡,而农行、中行、建行等银行已经实现区域发卡。中信、招行等银行则正在推进卡系统的升级改造。
  与现行磁条银行卡相比,以芯片作为介质的银行卡,其工作原理类似于微型计算机,具有容量大,可以存储密钥、数字证书、指纹等信息,安全保密性好等优点,很难被复制和伪造。并可以将应用拓展到交通管理、铁路客票、高速公路、商业联名、社保医保、物业管理等诸多领域。
  这种卡之所以具有如此多的优势,起主要作用的自然是芯片。

    芯片虽小,五脏俱全。

 
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