『壹』 集成電路是利用納米材料製成的嗎
集成電路是用半導體材料製成的,不是用納米材料製成的,但是有採用納米技術。
『貳』 納米電子學是干什麼的
納米技術中最重要的一個分支領域是納米電子學技術(nanoelectronics)。 在信息社會中,電子學的應用顯得越來越重要。信息的獲取、放大、存儲、處理、傳輸、轉換和顯示,哪一樣都離不開電子學。電子學技術未來的發展,將以「更小,更快,更冷」為目標。「更小」是進一步提高晶元的集成度,「更快」是實現更高的信息運算和處理速度,而「更冷」則是進一步降低晶元的功耗。只有在這三方面都得到同步的發展,電子學技術才能取得新的重大突破。
美國國防高等技術研究廳(DARP),不久前提出的超電子學(ulbe ebotmlllcs)研發計劃,就是根據「更小,更快,更冷」的發展目標,要求未來的電子器件要比現有的微電子器件的存儲密度高5-100倍,速度快10-100倍,而功耗則要小於現在器件功耗的2倍。最終希望達到「雙十二」,即 1012位的存儲器容量(1 Terabit)和每秒1012次的運算器速度(1000億次/s),且廉價而節能。要實現這一目標,電子器件的尺寸將必然進入納米技術的尺度范圍,即要小於100nm。這表明,隨著人類對晶元的要求越來越高,在不久的將來,微電子器件必將過渡到納米電子器件,使其成為21世紀信息時代的核心。
要實現納米電子器件及其集成電路,有兩種可能的方式。
一種是將現有的集成電路進一步向微型化延伸,研究開發更小的最小線寬的加工技術來加工尺寸更小的電子器件。這種方法只是尺度上的縮小,電子器件的構造並不發生根本的改變。現行的微電子器件(如場效應晶體管,field-effect transistor,FET)功耗較大,它無法滿足對器件「更冷」的要求。著名的莫爾定律(Moore』s law)預言:「每隔18個月新晶元的晶體管容量要比先前的增加一倍,同時性能也會提升一倍」,事實已經證明,在過去的30多年裡,莫爾定律准確地代表著晶元技術的發展趨勢。但是,隨著集成電路的集成度越來越高,晶體管的尺寸和集成電路的最小線寬越來越小,莫爾定律受到了極大的挑戰。因為按照莫爾定律的發展趨勢,10年後的2010年微電子器件的尺寸和集成電路的最小線寬都將小於100nm,而目前的光刻技術能夠加工的最小線寬為130nm,達到現代微電子學光刻加工技術的極限(物理限制)
另一種方式是研製與當代集成電路完全不同的,利用納米結構的量子效應而構成的全新量子結構體系,它包括新型的量子器件,如單電子晶體管,單電子存儲器,單原子開關等,以及可能用於量子系統的零維的量子點(quantum dot),一維的量子線(quantum wire)和二維量子阱(quantum well)等。
無論採取那一種方式,傳統的微米技術都很難再有所作為。掃描隧道顯微鏡(STM)的發明給納米電子學帶來了福音,這里有必要對其做一簡單的介紹:
1982年,國際商業機器公司(International Business Machine, IBM)蘇黎世研究所的Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer及其同事們成功地研製出世界上第一台新型的表面分析儀器,即掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope STM)。它使人類第一次能夠直接觀察到物質表面上的單個原子及其排列狀態,並能夠研究其相關的物理和化學特性。因此,它對表面物理和化學、材料科學、生命科學以及微電子技術等研究領域有著十分重大的意義和廣闊的應用前景。STM的發明被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一。由於這一成就,Binnig和Rohrer獲得了1986年諾貝爾物理獎。
由於STM具有極高的空間分辨能力(平行方向的解析度為0.04nm,垂直方向的解析度達到0.01nm),它的出現標志著納米技術研究的一個最重大的轉折,甚至可以說標志著納米技術研究的正式起步,因為在此之前人類無法直接觀察表面上的原子和分子結構,使納米技術的研究無法深入地進行。
STM的基本原理是量子隧道效應。它利用金屬針尖在樣品的表面上進行掃描,並根據量子隧道效應來獲得樣品表面的圖像。通常掃描隧道顯微鏡的針尖與樣品表面的距離非常接近(大約為0.5-1.0nm),所以它們之間的電子雲互相重疊。當在它們之間施加一偏置電壓Vb(Vb通常為2mV-2V)時,電子就可以因量子隧道效應由針尖(或樣品)轉移到樣品(或針尖),在針尖與樣品表面之間形成隧道電流。電流I對針尖和樣品表面之間的距離s變化非常敏感。如果此距離減小僅僅0.1nm,隧道電流I將會增加10倍;反之,如果距離增加0.1nm,隧道電流I就會減少10倍。 STM有兩種工作模式,恆電流模式和恆高度模式。恆電流模式是在STM圖像掃描時始
終保持隧道電流恆定,它可以利用反饋迴路控制針尖和樣品之間距離的不斷變化來實現。當壓電陶瓷Px和Py控制針尖在樣品表面上掃描時,從反饋迴路中取出針尖在樣品表面掃描的過程中它們之間距離變化的信息(該信息反映樣品表面的起伏),就可以得到樣品表面的原子圖像。由於恆電流模式時,STM的針尖是隨著樣品表面形貌的起伏而上下移動,針尖不會因為表面形貌起伏太大而碰撞到樣品的表面,所以恆電流模式可以用於觀察表面形貌起伏較大的樣品。恆電流模式是一種最常用的掃描模式。
恆高度模式則是始終控制針尖的高度不變,並取出掃描過程中針尖和樣品之間電流變化的信息(該信息也反映樣品表面的起伏),來繪制樣品表面的原子圖像。由於在恆高度模式的掃描過程中,針尖的高度恆定不變,當表面形貌起伏較大時,針尖就很容易碰撞到樣品。所以恆高度模式只能用於觀察表面形貌起伏不大的樣品。 近年來,STM不僅使得人們的視野可以直接觀察到物質表面上的原子及其結構並進而分析物質表面的化學和物理性質,它還使得人們可以在納米尺度上對材料表面進行各種加工處理,甚至可以操縱單個原子。這一特定的應用將會使人類從目前微米尺度的加工技術跨入到納米尺度和原子尺度,成為未來器件加工(納米電子學)和分子切割(納米生物學)的一個重要手段。
STM的針尖不僅可以成像,還可以用於操縱表面上的原子或分子。單原子操縱主要包括三個部分,即單原子的移動,提取和放置。使用STM進行單原子操縱的較為普遍的方法是在STM針尖和樣品表面之間施加一適當幅值和寬度的電壓脈沖,一般為數伏電壓和數十毫秒寬度。由於針尖和樣品表面之間的距離非常接近,僅為0.3-1.0nm因此在電壓脈沖的作用下,將會在針尖和樣品之間產主一個強度在 109~1010V/m數量級的強大電場。這樣,表面上的吸附原子將會在強電場的蒸發下被移動或提取,並在表面上留下原子空穴,實現單原子的移動和提取操縱。同樣,吸附在STM針尖上的原子也有可能在強電場的蒸發下而沉積到樣品的表面上,實現單原子的放置操縱。
1990年,美國IBM公司Almaden研究中心Eigler研究小組使用工作在超高真空和液氦溫度(4.2K)條件下的STM成功地移動(displace)了吸附在 Ni(110)表面上的惰性氣體 Xe原子,並用 35個Xe原子排列成「IBM」三個字樣,這一研究立刻引起了世界上科學家們的極大興趣並開創了用STM進行單原子操縱的先例。 圖2 是在Cu(111)表面上成功地用101個Fe原子寫下「原子」二個迄今為止最小的漢字。 1991年日立中央研究所Hosoki等人曾經在室溫的條件下,應用電壓脈沖方法成功地提取MoS2表面上的S原子並用遺留下的原子空穴構成了「PEACE』91 HERL」(其中HCRL為日立中央研究所的英文縮寫)的字樣。用這種方法加工的字竟小於1.5nm。 利用單原子放置的一個典型實例,利用STM的針尖將Au原子團源源不斷地放置到Au表面上的預定位置,形成一個直徑僅為1μm的世界地圖,與實際地球相比,其比例約為1:113。
總之,STM的出現為人類認識和改造微觀世界提供了一個極其重要的新型工具。隨著它的理論和實驗技術的日益完善,它必將在單原子操縱和納米技術等諸多研究領域中得到越來越廣泛的應用。隨著原子結構加工機理研究的深入,用單個原子來製造電子器件將不再是夢想,人們直接以原子和分子製造具有特定功能的產品的時代也將會到來。到那時,也許現在的巨型計算機將來有可能做成大頭針那樣大小,即使是美國最新開發成功的峰值速度高達每秒12萬億次超級計算機,也將會小到可以隨手放進口袋裡。
『叄』 納米技術怎樣製作納米晶元
2002年7月份,曾在幾年前宣布摩爾定律死刑的這一定律的創始人戈登·摩爾接受了記者的采訪。不過,這次他表現得很樂觀,他表示:「晶元上晶體管數量每18個月增加二倍的速度雖然目前呈下降趨勢,但隨著納米技術的發展,未來摩爾定律依然會繼續生效。」看來,摩爾本人也把希望放到了納米技術上。下面就讓我們來看看納米技術怎樣製造納米晶元。
我們知道目前的計算機晶元是用半導體材料做的。20世紀可以說是半導體的世紀,也可以說是微電子的世紀,微電子技術是指在半導體單晶材料(目前主要是硅單晶)薄片上,利用微米和亞微米精細結構技術,研製由成千上萬個晶體管和電子元件構成的微縮電子電路(稱為晶元),並由不同功能的晶元組裝成各種微電子儀器、儀表和計算機。晶元可以看做是集成電路塊。集成電路塊從小規模向大規模發展的歷程,可以看做是一個不斷向微型化發展的過程。20世紀50年代末發展起來的小規模集成電路,集成度(一個晶元包含的元件數)為10個元件;20世紀60年代發展成中規模集成電路,集成度為1000個元件;20世紀70年代又發展了大規模集成電路,集成度達到10萬個元件;20世紀肋年代更發展了特大規模集成電路,集成度超過100萬個元件。1988年,美國國際商用機器公司(1BM)已研製成功存儲容量達64兆的動態隨機存儲器,集成電路的條寬只有0.35微米。目前實驗室研製的新產品為0.25微米,並向0.1微米進軍。到2001年已降到0.1微米,即100納米。這是電子技術史上的第四次重大突破。今天,晶元的集成度已進一步提高到1000萬個元件。集成電路的條寬再縮小,將出現一系列物理效應,從而限制了微電子技術的發展。為了解決這個挑戰,已經提出納米電子學的概念。這一現象說明了:隨著集成電路集成度的提高,晶元中條寬越來越小,因此對製作集成電路的單晶硅材料的質量要求越來越高,哪怕是一粒灰塵也可能毀掉一個甚至幾個晶體管,這也是為什麼摩爾本人幾年前宣判摩爾定律「死刑」的原因。
據有關專家預測,在21世紀,人類將開發出徽處理晶元與活細胞相結合的電腦。這種電腦的核心元件就是納米晶元。晶元是電腦的關鍵器件。生命科學和材料科學的發展,科學家們正在開發生物晶元,包括蛋白質晶元及DNA晶元。
蛋白質晶元,是用蛋白質分子等生物材料,通過特殊的工藝制備成超薄膜組織的積層結構。例如把蛋白質制備成適當濃度的液體,使之在水面展開成單分子層膜,再將其放在石英層上,以同樣方法再制備——層有機薄膜,即可得到80~480納米厚的生物薄膜。這種薄膜由兩種有機物薄膜組成。當一種薄膜受紫外光照射時,電阻上升約40%左右,而用可見光照射時,又恢復原狀。而另一種薄膜則不受可見光影響,但它受到紫外光照射時,電阻便減少6%左右。據介紹,日本三菱電機公司把兩種生物材料組合在一起,製成了可以光控的新型開關器件。這種薄膜為進一步開發生物電子元件奠定了實驗基礎,並創造了良好的條件。
這種蛋白質晶元,體積小、元件密度高,據測每平方厘米,可達1015~1016個,比硅晶元集成電路高上萬倍,表明這種晶元製成的裝置其運行速度要比目前的集成電路快得多。由於這種晶元是由蛋白質分子組成的,在一定程度上具有自我修復能力,即成為一部活體機器,因此可以直接與生物體結合,如與大腦、神經系統有機地連接起來,可以擴展腦的延伸。有人設想,將蛋白質晶元植入大腦,將會出現奇跡。如視覺先天缺陷或後天損傷可以得到修復,使之重現光明等。
雖然目前生產與裝配上述分子元件還處於探索階段,而且天然蛋白質等生物材料不能直接成為分子元件,必須在分子水平上進行加工處理,這有很大難度,但前途是光明的。據介紹,日本已制定了開發生物晶元的10年計劃,政府計劃投入100億日元做各項研究。世界上一些大公司,如日立、夏普等都看好生物晶元的前景,十分重視這項研究工作。
人的大腦約有140億個神經細胞,掌管著思維、感覺及全身的活動。雖然電腦已面世多年;但其精細程度和人腦相比,仍然差一大截。為了使電腦早日具有人腦的功能和效率,科學家近年致力研究開發人工智慧電腦,並已取得不少進展。人工智慧電腦是以生物晶元為基礎的。生物晶元有多種,血紅蛋白集成電路就是新型的生物晶元之一。
美國生物化學家詹姆士·麥克阿瑟,首先構想把生物技術與電子技術結合起來。他根據電腦的二進制工作原理,發現血紅蛋白也具有類似「開」和「關」的雙穩態特性。當改變血紅蛋白攜帶的電荷時,它會出現上述兩種變化,這就有可能利用生物的血紅蛋白構成像硅電子電路那樣的邏輯電路。麥克阿瑟首先利用生物工程的重組DNA技術,製成了血紅蛋白「生物集成電路」,使研製「人造腦袋」取得了突破性進展。此後,生物集成電路的研究便逐步展開。美國科學家在硅晶片上重組活細胞組織獲得成功。它具有硅晶片的強度,又有生物分子活細胞那樣的靈活和智能。德國科學家所研製成的聚賴氨酸立體生物晶片,在1立方毫米晶片上可含100億個數據點,運算速度更達到10皮秒(一千億分之一秒),比現有的電腦快近100萬倍。
DNA晶元又稱基因晶元,DNA是人類的生命遺傳物質脫氧核糖核酸的簡稱。因為DNA分子鏈是以ATGC(A-T、G-C)為配對原則的,它採用一種叫做「在位組合合成化學」和微電子晶元的光刻技術或者用其他方法,將大量特定順序的稤NA片段,有序地固化在玻璃或者矽片上,從而構成儲存有大量生命信息的DNA晶元。DNA晶元,是近年來在高新科技領域出現的具有時代特徵的重大技術創新。
每一個DNA就是一個微處理器。DNA計算速度是超高速的,理論上計算,它的運算速度每小時可達1015次數,是硅晶元運算速度的1000倍。而且,DNA的存儲量是很大的,每克DNA可以儲存上億個光碟的信息。不過,目前的主要難點是解決DNA的數據輸出問題。
DNA晶元有可能將人類的全部約8萬個基因集約化地固定在1平方厘米的晶元上。在與待測樣品的DNA配對後,DNA晶元即可檢測出大量相應的生命信息。例如尋找基因與癌症、傳染病、常見病和遺傳疾病的關系,進一步研究相應葯物。目前已知有6000多種遺傳病與基因相關,還有環境對人體的影響,例如花粉過敏和對環境污染的反應等都與基因有關。已知有200多個與環境影響相關的基因,對這些基因的全面監測,對生態、環境控制及人類健康均有重要意義。
DNA晶元技術既是人類基因組研究的重要應用課題,又是功能基因研究的嶄新手段。例如單核苷酸的多態性,是非常重要的生命現象,科學家認為,人體的多樣性和個性取決於基因的差異,正是這種單核苷酸多態性的表現,如人的體形、長相與500多個基因相關。通過DNA晶元,原則上可以斷定人的特徵,甚至臉形、長相、外貌特點,生長發育差異等。
「晶元巨人」英特爾公司於2000年12月公布,英特爾公司用最新納米技術研製成功30納米晶體管晶元。這一突破將使電腦晶元速度在今後5~10年內提高到2000年的10倍,同時使硅晶元技術向物理極限更近一步。新型晶元的運算速度已達目前運算速度最快晶元的7倍。它能在子彈飛行30厘米的時間內運算2000萬次,或在子彈飛行25毫米的時間內運算200萬次。晶體管門是計算機晶元進行運算的開關,新晶元是以3個原子厚度的晶體管「門」為基礎,比目前計算機使用的180納米晶體管薄很多。要製造這種晶元的障礙是控制它產生的熱量。晶元的運行速度越快,產生的熱量就越多。過多的熱量會使製造計算機晶元所用的材料受到損壞。英特爾公司經過了長期的研究,解決了這一問題。這種原子級晶體管是用新的化學合成物製成的,這種新材料可以使晶元在運行時溫度不會過高。這種晶元的出現將為研製模擬以人的方式,可以和人進行交流的電腦創造條件。英特爾公司說,他們開發出的這種迄今世界上最小最快的晶體管,厚度僅為30納米。這將使英特爾公司可以在未來5~10年內生產出集成有4億個晶體管、運行速度為每秒10億次,工作電壓在1伏以下的新型晶元。而目前市場上出售的速度最快的晶元「奔騰4代」集成了4200萬個晶體管。英特爾公司稱,用這種新處理器製造的產品最早將在2005年以後投放市場。
英特爾公司的一位工程師說:「30納米晶體管的研製成功使我們對硅的物理極限有了新看法。硅也許還可以使用15年,此後會有什麼材料取代硅,那是誰也說不準的事。」他又說:「更小的晶體管意味著更快的速度,而運行速度更快的晶體管是構築高速電腦晶元的核心模塊,電腦晶元則是電腦的『大腦』。」英特爾公司預測,利用30納米晶體管設計出的電腦晶元可以使「萬能翻譯器」成為現實。比如說英語的人到中國旅遊,就可以通過隨身攜帶的翻譯器,將英語實時翻譯成中文,在機場、旅館或商店不會有語言障礙。在安全設施方面,這種晶元可以使警報系統識別人的面孔。此外,將來用幾千元人民幣就可以買一台高速台式電腦,其運算能力可以跟現在價值上千萬元的大型主機媲美。
單位面積上晶體管的個數是電腦晶元集成度的標志,晶體管數量越多,說明集成度越高,而集成度越高,處理速度就越快。30納米晶體管將開始出現在用0.07微米技術產品上,目前英特爾公司使用的是0.18微米技術,而1993年的「奔騰」處理器使用的是0.35微米技術。在晶元上「刻畫」電路,0.07微米技術用的是超紫外線光刻技術,比2001年最先進的深紫外線光刻技術更為先進。如果在紙上畫線,深紫外線光刻使用的是鈍鉛筆,而超紫外線光刻使用的是削尖了的鉛筆。
晶體管越來越小的好處主要有兩方面:一是可以用較低,的成本提高現有產品性能;二是工程師可以設計原來不可能的新產品。這兩個好處正是推動半導體技術發展的動力,因為企業提高了利潤,就有可能在研發上投入更多。看來,納米技術的確可以延長摩爾定律的壽命,這也正是摩爾本人和眾多技術人員把目光放到納米技術之上的原因所在。
『肆』 7納米能容納多少電路
能容納多少電路,取決於晶元的面積大小(die size)。就7納米而言,見過有報道某些高端晶元能容納150億個晶體管。
『伍』 CPU裡面是什麼東西聽說是納米,納米有什麼用裡面的電路真的做那麼小為什麼不會短路
CPU裡面是硅晶體---即沙子的提煉
工作原理:cPU是如何生產出來的。CPU是在特別純凈的硅材料上製造的。一個CPU晶元包含上百萬個精巧的晶體管。人們在一塊指甲蓋大小的矽片上,用化學的方法蝕刻或光刻出晶體管。因此,從這個意義上說,CPU正是由晶體管組合而成的。簡單而言,晶體管就是微型電子開關,它們是構建CPU的基石,你可以把一個晶體管當作一個電燈開關,它們有個操作位,分別代表兩種狀態:ON(開)和OFF(關)。這一開一關就相當於晶體管的連通與斷開,而這兩種狀態正好與二進制中的基礎狀態「0」和「1」對應!這樣,計算機就具備了處理信息的能力。
但你不要以為,只有簡單的「0」和「1」兩種狀態的晶體管的原理很簡單,其實它們的發展是經過科學家們多年的辛苦研究得來的。在晶體管之前,計算機依靠速度緩慢、低效率的真空電子管和機械開關來處理信息。後來,科研人員把兩個晶體管放置到一個硅晶體中,這樣便創作出第一個集成電路,再後來才有了微處理器。
看到這里,你一定想知道,晶體管是如何利用「0」和「1」這兩種電子信號來執行指令和處理數據的呢?其實,所有電子設備都有自己的電路和開關,電子在電路中流動或斷開,完全由開關來控制,如果你將開關設置為OFF,電子將停止流動,如果你再將其設置為ON,電子又會繼續流動。晶體管的這種ON與OFF的切換只由電子信號控制,我們可以將晶體管稱之為二進制設備。這樣,晶體管的ON狀態用「1」來表示,而OFF狀態則用「0」來表示,就可以組成最簡單的二進制數。眾多晶體管產生的多個「1」與「0」的特殊次序和模式能代表不同的情況,將其定義為字母、數字、顏色和圖形。舉個例子,十進位中的1在二進位模式時也是「1」,2在二進位模式時是「10」,3是「11」,4是「100」,5是「101」,6是「110」等等,依此類推,這就組成了計算機工作採用的二進制語言和數據。成組的晶體管聯合起來可以存儲數值,也可以進行邏輯運算和數字運算。加上石英時鍾的控制,晶體管組就像一部復雜的機器那樣同步地執行它們的功能。
的產品(名稱未定)
『陸』 為什麼晶元的電路只有幾個納米的間隔,卻不會因量子效應而短路
晶元裡面的矽片是經過特殊化學加工處理的,所以在上面其實原本是絕緣體,光刻機就是把半導體印在上面刻上連線形成微型電路,這才是真正難的方面,因為矽片本身就是小小的毫米級別,要在毫米級別的矽片上面印上精密的微型電路,那可是要納米級別的光刻機才可以,光刻機的重要性就把線路按照準確的設定印上去。
為什麼那麼細小的東西不會相互之間產生沖突甚至短路,其實不產生沖突是因為已經設計好了裡面的鏈接,光刻機只要按照設定好的去印上去就不會出現沖突的現象,吃飯設計錯誤,或者沒有按照設計的去印,為什麼不會短路呢,除了原本設定的,剩下就是蝕刻機的功勞了,蝕刻機的作用是把光刻機印線路的一些附著在周圍的多餘的沒用的殘渣去除掉,防止微型電路因為多餘的東西而導致出問題。
『柒』 納米級的電子晶元是怎樣造出來的
現代集成電路的工藝大致是這樣的:礦物——單晶硅晶體(圓柱體)——單晶硅晶體切片——打磨拋光——鍍導電層、絕緣層——激光蝕刻電子元件——打磨掉多餘半導體材料——焊接引腳封裝。
晶體管實際上就是利用半導體材料(單晶硅)的材料特性,使電流通過時產生放大、單向通過等等一系列的電效應。通過激光蝕刻單晶硅,便形成三極體、二極體等等微小的電子元件。電子元件的尺寸決定於激光束的粗細和控制精度。激光束越細、控制精度越高,那麼電子元件的集成度越高,單位面積的電子元件數量越多。
單晶硅晶體的粗細決定了生產效率,批量生產其直徑最大已經能做到12英寸,那麼一張晶元上同時能生產的晶元數量越多,生產成本就越低。除去研發費用,這就是為什麼晶元價格越來越便宜。
『捌』 16K位集成電路和納米晶元的區別
『玖』 能否用14納米製程做出5納米製程的相同算力的晶元
這個問題比較專業啊,但是據我所了解的知識來看,是有機會完成這件事情的。下面先來介紹一些關於晶元製造領域的基本知識吧。
這樣的問題我想最多還是出自於對我國半導體工業製造的關心和考慮。因為我國的14納米製程已經在國內進行了生產和運營,但相較於台積電這樣的半導體產業巨頭,在五納米和七納米方面,我們還有較大的差距。因此可能就會出現這樣的問題:想用14納米代替5納米,出發點是非常好,但科學的魅力就在於不斷探索極限和未知,只有不斷地攀登才會更加深刻地認識這個世界,提升我們的生產力!
『拾』 什麼事20納米集成電路
就是納米尺度在20納米的集成線路電子產品,包括納米尺度下的器件物理、集成電路的製造工藝等等。