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1.晶體管誕生70年, 回首中國整合電路來時路;
'時間: 1947年12月16日
日記號: 38139-7'
70年前, 當物理學家沃爾特·布拉頓像往常一樣寫下他的實驗日記, 他不曾預料, 一個時代即將開啟.
這場實驗的主角是一個比火柴棍短且粗的半導體放大器, 後來, 它被命名為點接觸式晶體管.
點接觸式晶體管成了人類開啟晶體管大門的第一把鑰匙. 大門推開後, 一場資訊技術革命席捲全球.
70年後, 晶體管已經變得幾乎無處不在. 人類以其為磚瓦, 搭建出一個個虛擬世界. 我們至今仍未找到晶體管的替代品, 以其為基礎的整合電路, 還將被人類長期依賴.
晶體管的問世, 人類微電子革命的先聲
晶體管誕生之前, 人們已經有了電子管, 或者叫真空管.
電子管具有訊號放大作用, 但是毛病一籮筐——壽命低, 體積大, 可靠性差.
所以, 人們希望找到一種器件替代電子管. 美國電話電報公司 (AT&T) 下屬的貝爾實驗室成了尋找路上的開路先鋒.
貝爾實驗室建立於1925年. 成立伊始, 它就是世界上規模最大的工業實驗室. 3600名工作人員中, 有2000名是技術人員.
1945年7月, 二戰臨近結束, 為了適應戰後研究方向的調整, 貝爾實驗室進行了各個研究部門的改組.
這次改組中, 物理部門成立了3個研究小組, 其中之一就是固體物理研究組. 該組又分為半導體和冶金兩個小組, 麻省理工大學博士肖克萊兼任半導體小組組長. 他將小組的研究計劃, 定為研製 '半導體放大器' .
半導體是指常溫下導電性能介於導體和絕緣體之間的材料, 像矽和鍺, 就是常見的半導體材料.
清華大學微電子所所長魏少軍說, 要理解晶體管的工作原理, 可以想象一個大壩的水閘.
當大壩閘門合上, 無水流出, 水力發電機就無法發電; 當閘門開啟, 水流湧出, 水力發電機就可以輸出電流. '閘門的開合直接影響到了水力發電機的運轉, 這就是用一個弱訊號, 去控制了一個強訊號. ' 而晶體管的基本原理, 就是 '放大' , 用小電流去控制大電流.
貝爾實驗室對晶體管的構思由來已久. 晶體管的誕生, 是長期積累的結果. 從諾貝爾獎的歸屬來看, 榮譽最終給了3個人——肖克萊, 布拉頓和巴丁.
1947年12月16日, 擺在布拉頓和巴丁面前的, 是一個多次改進後的, 構築在鍺晶體之上的器件. 鍺晶體表面, 用一根彈簧壓著一個兩邊包裹著金箔的三角形塑料楔子. 這兩邊的金箔, 就是訊號的輸入端和輸出端.
就是它, 在那天的實驗中, 成功放大了30%的輸出功率和15倍的輸出電壓.
用現代標準來衡量, 這點觸式晶體管的原型實在太過質樸笨拙, 但無可否認, 它就是人類微電子革命的先聲.
在它之後, 又有雙極型, 單極型晶體管和矽晶體管相繼問世.
'從移動計算到智能計算, 當今時代的種種變化, 都離不開電子資訊系統. 而晶體管, 是其中最為基礎的器件. ' 魏少軍說, 晶體管之於資訊革命, 如同鐵器之於農業革命, 如同蒸汽機之於工業革命, '它的重要性怎麼強調都不為過. '
起步不晚的中國, 還是落後了
晶體管應該被拿來做更多的事情, 不過前提是, 它要足夠小.
如何找到一種高效的晶體管, 導線和其他器件的連接方法? 1958年左右, 美國兩位30歲出頭的年輕人, 各自拿出了自己的解決方案——就是我們今天已經熟知的整合電路.
如果說, 晶體管的誕生, 是蝴蝶扇動了翅膀, 那麼, 遠隔大洋的中國, 也敏銳地嗅到了風暴來襲的訊號.
中國的起步並不晚. 上世紀50年代中期, 正值我國開始實施第一個五年計劃. 半導體這門新興科學技術受到了黨和政府的高度重視. 1956年, 在沒有技術資料和完整設備的條件下, 我國成功研製出了首批半導體器件——鍺合金晶體管. 1965年, 我國又擁有了整合電路.
'說起我國第一代半導體人, 那真是非常了不起. ' 中科院微電子研究所所長葉甜春感慨, '他們帶著知識歸國, 自己研製設備, 自己製備材料, 自己培養了第一批學生, 完全白手起家. '
頭20年, 我國整合電路和國際上的差距並不大; 但在第二個20年, 道路開始曲折.
差的不在技術, 而是產業. 一個還沒有完成工業化的國家, 剛剛從計劃經濟時代走出, 還不知道如何組織大規模商品生產. 此時, 還想更進一步, 發展高新技術產業, 更是難上加難.
產業發展不起來, 技術研發也步履維艱, 陷入惡性迴圈. 葉甜春記得, 1986年自己剛入整合電路這一行時, 整個行業都處在痛苦的轉型期. 大家還在學習高質量低成本地批量製造產品, 在混沌中摸索.
上世紀八九十年代, 國際整合電路產業開始起飛. '這是國家發展階段的差異, 也沒什麼好埋怨的. ' 葉甜春坦言.
真正的轉折點, 發生在2008年.
那一年, 國家科技重大專項啟動. '核心電子器件, 高端通用晶片及基礎軟體產品' '極大規模整合電路製造裝備及成套工藝' 等專項都指向了整合電路. 5年後, 技術儲備到了一定程度, 加大產業投入, 也就被提上議事日程.
2014年, 國務院發布《國家整合電路產業發展推進綱要》, 設立國家產業投資基金. '效果一下子就顯現出來了. 為什麼能這麼快? 因為技術體系已經建立起來了, 能支撐產業體系的快速發展了. ' 葉甜春總結, '這是一套組合拳, 堪稱完美. '
到了能打大戰役的時候了
2017年1月, 晶體管誕生之國美國, 在一份報告中將矛頭對準了中國.
美國總統科技顧問委員會稱, 中國的晶片業已經對美國的相關企業和國家安全造成了嚴重威脅, 建議美國總統下令對中國的晶片產業進行更加嚴密的審查.
為什麼? 我國整合電路產業規模在世界佔比非常小, 算是 '小透明' , 就算有一些跨國併購, 但交易額也完全不夠看, 何至於引起這麼高的警覺?
'因為資本的背後, 是我們自己真正的技術體系和產業體系在做支撐. ' 葉甜春說, '他們認為, 一旦發展起來, 就不可阻擋. 我們有核心競爭力了, 人家就害怕. '
實際上, 我國整合電路一直都在國際上的打壓和遏制中求生存. 產業還在起步階段, 就有 '巴黎統籌協會' 對我國所需的新技術, 新設備進行封鎖禁運. 當上世紀80年代後期 '巴黎統籌協會' 解體之後, 又有 '瓦聖那協定組織' 繼續對我國新興技術和新興產業進行封鎖限制, 它們只允許放行比經濟發達國家滯後兩代的整合電路技術和設備.
'西方國家有點神經過敏. ' 魏少軍的看法略有不同, '中國打贏整合電路這場仗沒那麼容易. ' 整合電路產業的發展, 需要全球化的產業環境, 需要巨額投入, 也需要大量人才. 這都無法一蹴而就.
從中國半導體行業協會的統計來看, 2016年我國整合電路產業銷售額達4335.5億元, 比上年增長20.1%, 這一增長速度算得上 '高歌猛進' . 不過, 魏少軍提醒, 這4000多億元的銷售額, 還包括了在華外商的貢獻. '其實我們自身的能力還相當有限. ' 他判斷, 我國自己生產的整合電路, 大約可以滿足國內需求的1/4.
從技術上來看, 我國最新的整合電路技術, 跟國際上最新技術還差了一代到兩代. 不過, 葉甜春認為, 糾結於這個最新技術的代際差異, 是一種誤區, 並沒有太大意義.
比如, 如今依然在大量生產的55納米, 40納米和28納米晶片, 進入市場已近10年, 但它們並未因為更小尺寸晶片的出現就退出曆史舞台.
'整合電路尺寸縮小速度確實很快, 但並不是下一代對上一代的完全替代. 每一代技術都有大約10年的生命周期. ' 葉甜春表示, 我國55, 40, 28納米三代成套工藝已研發成功並實現量產, 而更先進的22, 14納米先導技術在研發上也取得突破, 形成了自主智慧財產權. '所謂趕超, 也無需要求在各個領域全面超越, 只要我國的整合電路能夠支撐我國資訊化和智能化的發展即可. '
可以肯定的是, 這場晶體管開啟的資訊革命, 將更深, 更廣地重塑人類社會. '未來, 晶片的重要性只增不減. ' 魏少軍強調.
而回首來路, 葉甜春常說 '傳承' . 一代一代半導體人的砥礪前行, 才有中國今天的局面.
今天是個怎樣的局面? 他抬起頭, 望向遠方, 帶著笑意. '可以打大戰役了. 我們有了 '戰' 的能力, 雖然能力有限, 但和從前相比, 大不一樣了. 天時地利人和, 沒有理由超不過別人, 這隻是時間早晚問題. ' (記者 張蓋倫) 科技日報
2.樂鑫推出支援 Apple HomeKit 新版 SDK;
集微網消息, 樂鑫在近期推出支援 Apple HomeKit 的軟體開發工具包 (SDK). 新版 SDK 基於 ESP32 而研發, 全面整合了 Apple HomeKit 協議. ESP32 是樂鑫最新的旗艦晶片, 自上市以來已成為業內最受歡迎的晶片之一. 用戶可以快速選型 ESP32 晶片, 通過新版的 SDK 來開發 HomeKit 應用.
支援 Apple HomeKit 的 SDK 結合 ESP32 晶片為用戶提供了快速, 友好的開發體驗. 與此同時, SDK 充分結合了 HomeKit 與樂鑫強大的加密功能, '雙保險' 機制確保了產品開發和使用的安全性.
此版本 SDK 的主要特徵包括:
用戶 API 獨立於通信傳輸提供了常用的應用實例, 方便用戶快速開發支援用戶自定義配件
目前樂鑫以 GitLab 的形式向客戶定向提供支援 Apple HomeKit 的 SDK, 對於已經有過 MFi 認證經驗或計劃加入 MFi 認證的客戶, 現在已可以選型 ESP32 晶片做方案設計, 樂鑫將為您提供全面的技術支援, 您可從樂鑫官網登記資訊聯繫商務人員諮詢.
3.嶗山建青島芯穀 2022年微電子產業規模達100億;
昨天, 嶗山區, 高通(中國)控股有限公司(以下簡稱 '美國高通' )和歌爾股份有限公司舉行 '青島芯穀·美國高通·歌爾聯合創新中心' (以下簡稱 '聯合創新中心' )簽約儀式.
實現四大領域創新
聯合創新中心將落戶於嶗山區國際創新園, 中心包括展示中心, 創新實驗室兩個區域. 展示中心將作為青島高科技領域的展示名片, 通過展示美國高通與歌爾全球領先的技術以及最新的應用案例, 幫助青島雙創企業了解全球最新技術與市場趨勢, 為更多雙創企業投身智能終端開發拓展思路; 創新實驗室配備先進的測試儀器, 依託美國高通全球領先的技術, 歌爾強大的研發實力和產業基礎, 為符合條件的雙創企業提供技術評估, 初期研髮指導及系統相容性測試, 從而加快雙創企業在智能終端及物聯網各相關行業應用領域的發展.
簽約儀式上, 美國高通與歌爾雙方代表分別介紹了公司的發展願景. 美國高通是全球領先的無線通信企業和全球最大的無晶圓廠半導體公司, 引領了全球3G, 4G以及下一代無線技術的發展, 通過布局移動計算, 物聯網, 汽車及人工智慧等領域, 引領萬物智能互聯的新時代. 歌爾是全球精密零組件與智能硬體領域的領導廠商, 在聲學, 感測器, MEMS等精密零組件以及VR/AR, 智能音響, 智能穿戴, 機器人等智能硬體領域積累了深厚的技術優勢, 憑藉領先的垂直整合能力與自動化精密製造能力, 為全球客戶提供一站式產品解決方案. 歌爾與美國高通在智能硬體領域的合作已經開展多年, 比如在VR領域, 雙方基於高通驍龍820與835移動平台先後聯合開發了兩款VR一體機參考設計平台, 有效提高了VR一體機產業的發展速度.
嶗山發力建設青島芯穀
高通與歌爾的品牌影響力與先進技術有助於聚集產業資源, 吸引技術人才, 促進上下遊產業的發展, 完善青島產業鏈條. 聯合創新中心將有助於解決青島 '缺芯' 難題, 為青島企業提供晶片應用, 5G, 物聯網技術解決方案, 推動青島企業的技術創新. 青島市將全力以赴支援美國高通和歌爾在青島的發展, 共同做大微電子和智能硬體的市場蛋糕, 努力實現企業與地方產業發展雙贏.
美國高通公司中國區董事長孟樸介紹, 今後, 高通將繼續加強與歌爾及青島市在智能終端和物聯網等領域的合作, 也希望聯合創新中心能讓更多青島的雙創企業從中受益, 在家門口就能了解前沿技術趨勢並獲得創新創業方面的有力支援.
歌爾股份有限公司總裁薑龍告訴記者, 此次聯合創新中心的建立, 有助於推動智能硬體生態圈的發展. 歌爾將發揮自己在智能硬體與精密零組件領域的技術優勢, 研發實力以及製造經驗, 與美國高通一起積極推進智能硬體和物聯網的發展, 打造創新驅動的多贏合作模式.
據介紹, 嶗山區立足本土優勢, 打造 '北部沿海綜合經濟區微電子產業研發高地和青島 '芯穀' 發展目標' . 力爭到2022年, 嶗山區微電子產業規模達到100億元. 根據國家 '十三五規劃' , 培育整合電路產業體系; 培育人工智慧, 智能硬體, 移動智能終端, 5G移動通信技術, 先進感測器和穿戴設備等產業將成為新的經濟增長點. 此次聯合創新中心的建立不僅是對國家 '十三五規劃' 的積極響應, 同時將有效推進青島市微電子, 智能硬體產業, 物聯網等行業的發展. 青島早報
4.工行南京聯手永豐銀行 支援南京整合電路產業;
12月12日, '金融支援南京整合電路產業研討會' 於工商銀行江蘇省分行營業部盛大召開. 本次研討會由中國工商銀行江蘇省分行營業部主辦, 永豐銀行 (中國) 有限公司協辦. 邀請了人民銀行, 南京市整合電路協會, 中科招商投資管理集團, 浦口經濟開發區, 海峽兩岸科工園, 江北新區研創園以及欣銓整合電路, 創意電子, 展訊半導體, 江蘇芯艾科半導體, 弘潔半導體等20家企業代表出席.
會上, 工商銀行江蘇省分行營業部副總經理陳金華先生指出: '整合電路產業是現代電子資訊產業的基礎和核心, 是關係國民經濟和社會發展全局的基礎性, 先導性和戰略性產業, 也與我們的日常生活息息相關. 我國已明確提出 建立自主可控整合電路產業體系 的發展戰略, 未來, 隨著黨的十九大在深化供給側結構性改革, 加快建設創新型國家, 實施鄉村振興戰略, 推動形成全面開放新格局等一系列重大部署的落地, 整合電路產業將迎來重要戰略機遇期和黃金髮展期. '
一直以來, 工商銀行高度重視支援整合電路產業發展, 將其作為踐行企業社會責任的重要途徑, 不斷拓寬企業融資渠道, 創新服務產品, 加大金融支援力度, 為整合電路產業全鏈條企業提供了包括支付, 融資, 存款, 結算, 理財, 投行, 年金等一攬子金融服務, 有力地促進了我國整合電路產業的蓬勃發展. 今後, 工商銀行將攜手永豐銀行, 進一步整合資源優勢, 為廣大客戶提供更加多元, 優質的金融服務. 嚴婷 南京日報
5.蘇州納米所半導體SERS研究獲進展
有一種元素, 以單質分子形式構成大氣體積的21%, 以化合物形式構成地殼總質量的48.6%, 這就是氧. 因其活潑的化學性質及其較大的電負性, 成就了自然界物種的多樣性. 自1777年由拉瓦錫發現以來, 氧元素一直都是化學家的寵兒. 如今在新興的半導體SERS領域, 它的重要性再一次被體現.
上世紀70年代, 表面增強拉曼光譜 (SERS) 面世後, 貴金屬基底的引入將拉曼檢測靈敏度提升百萬倍, 克服了傳統拉曼光譜與生俱來的訊號微弱等缺點, 使拉曼檢測在食品安全, 環境監測, 生命科學等領域得到廣泛應用, 並迅速成長為最靈敏的表面物種現場譜學檢測技術之一. 然而, 人們欣喜的同時卻遺憾地發現, SERS僅在金, 銀, 銅等貴金屬的粗糙表面才具有高活性, 即需依賴貴金屬表面電磁增強的 '熱點' 效應, 基底的選擇十分有限; 且實際應用中這種精細調製的材料結構易受環境因素幹擾, 穩定性差強人意. 事實上, 探索新型, 高性能的非金屬基底是SERS技術中最重要的研究方向之一. 尤其近年來半導體化合物被證實具有SERS活性, 其豐富的種類與化學組成引起人們極大的興趣, 但此類化合物作為SERS基底普遍較低的增強因子似乎成為難以突破的科研瓶頸. 基底材料所表現出的SERS性能來源於探針分子與其表面的相互作用, 包括電磁增強 (EM) 與化學增強 (CM) 兩種方式. 通常認為金屬材料中以電磁增強為主, 而半導體化合物表面化學增強則起決定作用. 正因為機制不同, 半導體材料用作SERS基底的設計應遵循完全不同於現有的貴金屬材料的研究理念.
近日, 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員趙志剛率領的研究團隊, 發現氧分子可以作為開啟半導體化合物SERS性能寶藏的鑰匙, 即利用化合物化學組成可調的特點, 巧妙地通過氧元素調控過渡金屬化合物的化學計量組成或表面晶格氧濃度, 來增強非 (弱) SERS活性材料表面物種的訊號.
在此學術思想指導下, 該研究團隊首先選擇自身富氧缺陷的W18O49海膽狀納米粒子作為SERS基底, 獲得了高靈敏度和低探測極限的優異SERS性能. 這種首次作為SERS基底的半導體材料對R6G分子的檢測極限可低至10-7M, 通過還原氣氛 (H2, Ar) 處理的方法進一步改變W18O49的表面氧缺陷濃度, 將材料的SERS增強因子提升至3.4×105, 是現已報道的性能最為優秀的半導體SERS基底材料之一, 並已接近無 '熱點' 的貴金屬材料. 相比之下, 化學計量比WO3幾乎沒有SERS活性, 這說明氧缺陷對於半導體氧化物的SERS性能有重要作用.
既然從晶格中拖出氧對材料SERS如此重要, 那麼反過來向晶格中插入氧又將如何? 帶著這個疑問, 趙志剛團隊選擇了硫化鉬 (MoS2) 這種本身SERS性能微弱的硫族半導體材料, 通過取代和氧化兩種方式方便地實現其晶格中氧的插入. 結果證實, 適量的氧插入可使硫化鉬的SERS活性提升100,000倍, 但過量的氧摻雜會導致SERS活性大幅下降. 此外, 通過這種氧插入方法, 硒化鎢, 硫化鎢, 硒化鉬等多種化合物的SERS性能均可獲得大幅增強, 也就是說, 這種晶格氧調控的手段在提升半導體SERS性能方面頗具普適性潛力.
至此, 晶格中的 '氧缺陷' 與 '插入氧' 對半導體SERS的增強作用已被統一, 而理論計算結果更是指向了同一結論. 該團隊研究人員將化學增強的理論模型應用於半導體-有機分子體系, 發現半導體材料晶格氧的增減可作為調控其能級結構的有效手段; 其中 '氧缺陷' 會引入深能級作為電子躍遷的 '彈跳板' , 而 '插入氧' 將直接增加帶邊附近的電子態並伴隨著禁帶變窄; 這些都將顯著增加雷射激發下半導體中電子躍遷的可能, 並進一步通過振動耦合 (Vibronic Coupling) 作用於半導體-有機分子之間的電荷躍遷 (Charge Transfer) , 影響基底表面所吸附有機分子的極化張力, 從而增強其拉曼光譜響應.
以上工作證實了恰當地調製半導體化合物中的晶格氧, 可作為顯著提升其SERS性能的一種有效手段, 突破常規SERS技術中貴金屬基底的局限性, 進一步拓寬半導體化合物作為基底材料在SERS檢測中的應用範疇. 系列研究成果分別以Noble metal-comparable SERS enhancement from semiconducting metal oxides by making oxygen vacancies與Semiconductor SERS enhancement enabled by oxygen incorporation為題線上發表在Nature Communications上.
研究工作得到國家自然科學基金, 江蘇省優秀青年基金,
氧缺陷W18O49納米粒子作為SERS基底性能優秀
氧插入MoS2材料 中國科學院網站