未来趋势：集成电路的发展与认识

一、集成电路的发展

1.应用的驱动

集成电路发展史上的重要人物基尔比曾讲到：“集成电路产业始终是通过新的应用领域而发展起来的，如计算机、数字手表、个人计算机等领域，而每一种产品的销售额都比前一种的高出一个数量级。”

自1960年第一个逻辑电路发布后，1962年晶体管-晶体管逻辑（TTL）系列的集成电路陆续被开发出来，1972年低功耗集成注入逻辑（IIL）系列集成电路也开发成功，1972年又出现了高速发射极耦合逻辑（ECL）系列集成电路。上述这些集成电路已被广泛应用于各种电子设备和系统。各种标准的系列产品举例见表1-1。

表1-1　各种标准的集成电路产品举例

20世纪60年代中，很多产品都通过大量采用集成电路而取得突破进展，其中最突出的例子是计算机、计算器和数字手表。1959年IBM公司使用晶体管制造的1401型大型计算机，其体积足有一个房间那么大，售价高达7万美元。而TI公司使用集成电路制造的TI-59便携式计算器，售价仅300美元，其计算能力则与1401型相当。在计算器发展初期，一个典型的计算器内包含有90个至150个双极型集成电路，在1969年则发展到只要用4个MOS集成电路，而其售价则下降到原来的1/50，使得计算器立刻风靡全球。采用集成电路芯片的数字式手表也一度几乎完全代替了机械式手表，表内不再需要几十个机械零件，而只要一块芯片和一块电池就行了，手表从一种精密的机械产品变成了普通的电子产品。

半导体存储器和微处理器促成了集成电路技术革命的发生。1970年出现了存储容量为1kb的半导体动态存储器，1971年推出了包含2250个MOSFET的微处理器芯片Intel4004。

半导体存储器体积小、功耗低和价格便宜，全面超越了计算机主存储器中原来使用的磁心存储器，很快就实现了更新换代。20世纪60年代初，大型计算机的主存储器容量还很少有达到1Mb的型号，而1978年生产的HP Amigo 300小型机中已经装有了同等容量的半导体存储器。

微处理器则具有完整的中央处理单元（CPU）功能。一台功能完整的微型计算机的主要结构包括单片微处理器（或多片微处理器）、足够容量的存储器和输入输出电路。微处理器的出现激发了“微型计算机革命”。微型计算机与小型、中型计算机在计算机结构和程序设计方面区别不大，但它使得计算机不再是科学家和工程师的专用设备，而成为人们工作和生活中的日常工具，微型计算机迅速普及。图1-12是一个以微处理器为核心的微型计算机结构图。

图1-12　以微处理器为基础的微型计算机

移动通信业也是集成电路应用的重要领域。随着移动通信技术的发展，用户对移动通信终端的各项性能要求越来越高，特别是对终端的体积、重量及待机时间等方面的要求，每一代新产品都要求能在更小的体积中提供更多的功能，这就对移动通信设备所采用的集成电路器件提出了更大的挑战。目前，手机产品中已广泛采用多种类型的集成电路，包括半导体动态存储器（DRAM），数模、模数转换器（DAC、ADC），数字信号处理（DSP）芯片，闪烁（Flash）存储器；在手机射频（RF）前端部分，也采用了包括锁相环（PLL）结构的频率合成器芯片；手机使用的功率放大器也有多种解决方案，例如采用砷化镓（GaAs）材料制造的单片微波集成电路。随着手机智能化大潮的来临，对手机性能的要求越发强烈，触摸控制、多媒体娱乐、移动互联网等新兴手机，手机热点也不断涌现，刺激着移动通信领域集成电路产品性能的不断提高。

传统行业的技术革新需要微电子技术的大力支持，以汽车电子技术为例。汽车电子化分三个阶段，第一阶段始于20世纪60年代，以采用晶体管和中小规模集成电路为主；第二阶段始于20世纪70年代，以采用微处理器为标志；第三阶段则始于20世纪80年代，除通用微处理器外，还大量采用了专用集成电路（ASIC）。

汽车电子化发端于点火装置和电压调整器等基本功能，接着发展到电子控制燃料喷射、制动防滑装置、综合故障诊断以及车载电话等。目前已进一步发展到以行车电脑为核心的发动机系统综合控制、显示系统综合控制、底盘系统综合控制、车内信息系统控制等，还有全球定位系统等电子化装置。2000年出厂的某型轿车内采用了32个微机、300块集成电路、500个晶体管和4 500个元器件。多年来汽车的外形变化不大，但汽车性能却在电子技术的支持下获得了极大进步。

电子整机系统的性能需求推动着集成电路器件的高速发展，而集成电路器件的性能提高和价格下降又反过来刺激了电子整机系统的更新换代，具体体现在以下四个方面：

（1）电子整机系统的高速化，如超高速计算机、高速高性能工作站等设备要求集成电路芯片的运算高速化。

（2）电子整机系统的高智能化，如数字式高清晰度电视、电视电话、彩色摄像录像一体化设备等要求芯片能进行数据的高速数字化处理。

（3）电子整机系统的小型化和移动化，如膝上型个人计算机、笔记本电脑、移动电话、无线连接设备等要求芯片高集成化和低功耗化，并具有移动数据传输能力。

（4）电子整机系统的网络化，如局域网（LAN）、综合业务数据网（ISDN）等应用要求芯片功能实现系统化。

新的应用领域不断出现，新的电子产品需求量不断激增，激励着集成电路技术的高速发展。而集成电路技术发展的标志之一就是芯片集成度的不断提高。

2.集成度的提高

集成度是指每个芯片上的等效门数，一个等效门一般是指一个2输入端的与非门。在50多年的时间内，集成电路的集成度经历了小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）、超大规模（VLSI）、特大规模（ULSI）阶段之后，目前已开始进入巨大规模集成电路（GSI）的阶段。各阶段的集成度见表1-2。

表1-2　各阶段集成度表

对于双极型和MOS型集成电路的集成度往往采用不同的定义标准。例如，对双极型LSI定义为大于500个晶体管，而对MOS型LSI则要求大于1 000个晶体管。

从技术角度讲，集成电路集成度的提高主要有两个途径：①缩小晶体管尺寸，使得单位芯片面积上可以容纳更多的器件；②增大芯片面积，使得单个芯片可以容纳更多器件。

缩小晶体管尺寸可以获得两个明显的优点。第一，加快电路速度，目前集成电路的时钟频率普遍达1 GHz以上。第二，增加晶体管密度（即每平方毫米硅片中含有的晶体管数）的同时控制集成电路制造成本的上升，使得每个晶体管的成本快速下降。这些优点驱动着集成电路工业界始终致力于提高集成度，并不断提高产品的性能价格比。

今天制造出来的晶体管，其特征尺寸已小于0.05μm。在良好照明条件下，人类的肉眼可以看到的最小颗粒直径约为40μm。1μm×1μm尺寸的晶体管肉眼已无法分辨，只有用高倍显微镜才能看清楚。通过头发（人的头发直径约为60μm）与晶体管尺寸的对比图（图1-13），可以对晶体管尺寸有更直观的了解。

图1-13　头发与晶体管尺寸对比图

在集成电路特征尺寸的物理限制达到以前，晶体管尺寸逐渐减小的趋势还会继续下去。

增大每一芯片的面积是提高集成度的另一重要措施。20世纪60年代，每一芯片的面积约为1mm2，到了20世纪90年代已达到100 mm2，例如数据存储容量为64Mb的动态存储器，其芯片面积为5.9×9.7＝57（mm2），内含1.34亿个晶体管。对于微处理器，其芯片面积的增大通过图1-14可以清楚地看到。

图1-14　微处理器芯片面积增大对比图

到了20世纪末，已出现了面积超过1cm×1cm的芯片。但过度增加单一芯片面积会使每个晶圆片上的有效芯片数量减少，也会使集成电路生产的良品率下降（即每个晶圆片上有效芯片的数目与总芯片数之比），从事导致芯片制造成本上升。解决这一问题的办法之一就是加大晶圆片的直径，使每一晶圆片上可以容纳更多的芯片。晶圆片的直径从20世纪60年代初的25mm（1英寸）不断增大，到20世纪90年代达到了200mm（8英寸），目前，已有工厂采用380mm（15英寸）直径的硅晶圆片，但是不断增加晶圆直径也导致了工厂投资成本的急剧上升。

3.摩尔定律

1965年，Intel公司的戈顿·摩尔（Gordon Moore）通过对过去近10年集成电路发展情况的总结，提出了摩尔定律。摩尔定律的内容是：集成电路芯片的集成度每三年提高四倍，加工的特征尺寸缩小为1。在硅集成电路制造的第一个20年中，晶体管特征尺寸下降到原尺寸的1/25，平均每个晶体管的价格则下降了约99%。纵观1965年以来的集成电路发展历史，摩尔定律的有效性也获得了证明。从1959年到2000年的40年间，特征尺寸缩小到1/140，而平均晶体管价格降低到1/107。具体情况如下面的图表可知，表1-3是半导体动态存储器（DRAM）发展的年表，表1-4是微处理器发展的年表。图1-15是40年来的摩尔定律图。

表1-3　DRAM发展年表

表1-4　微处理器发展年表

续表1-4

图1-15　摩尔定律图

集成电路工业是现代工业史上唯一始终保持高速增长的领域，堪称奇迹。

当然集成度的提高、特征尺寸的缩小、集成电路器件规模的提高并不意味着较小规模的集成电路没有了市场，事实上，在生产生活的实际应用中，集成电路产品往往是多代并存，各自以最低的成本、收益/投入最大原则占领相关的应用领域。例如，计算器、加法器或二进制数的乘法器等简单计算功能产品，只需要有几百个等效门就足够了；而4位、8位微处理器则需要几千个等效门；16位微处理器则要求几万个等效门。再比如大多数模拟集成电路（如滤波器、放大器等）的规模一般不超过几千个晶体管，与数字电路不同，模拟集成电路不过分追求大规模，而是强调性能参数的高精度。模拟集成电路与数字集成电路有着不同特点，从而在设计与生产方面产生了不同的侧重点。

4.专用集成电路和专用标准产品

20世纪80年代中期以来，出现专用集成电路（ASIC）。ASIC的全称是Application Specific Integrated Circuit，直译为专用集成电路。ASIC是面向专门用途的集成电路，是区别于标准产品（Standard Product），如标准逻辑（Standard Logic）电路、通用存储器和微处理器等而言的。

ASIC并不是一个含义确切的学术名词。按字面来广义解释，凡是用于某一类专用系统的集成电路都可以被称为ASIC，而不必关注其应用于单个用户还是多个用户。但目前对ASIC还有一种狭义理解，即ASIC是用户专用集成电路（Customer Specific IC），是根据用户的特定要求，能够以较低成本研制成功，并在较短交货周期内供货的集成电路。

为什么需要在成千上万种标准集成电路产品之外，还要去开发ASIC呢？ASIC的提出和发展说明集成电路进入了一个新阶段。传统的通用标准集成电路已不能完全适应电子系统日新月异的变化，每个电子系统的生产厂家都希望推出特色鲜明的产品，加快产品更新，维护产品的某些保密性，使产品更具竞争力，而ASIC正是为了适应这种需要应运而生。对某一具体产品应用而言，采用一块ASIC往往能够替代多块标准IC，因而可大大降低电子系统的生产成本，这就使得很多电子设备和系统公司投入大量人力物力设计自己的ASIC来应用于本公司的新产品。

ASIC电路的快速发展推动了设计方法学和设计工具的不断完善，也促进了系统设计人员与芯片设计人员的相互结合和相互渗透。ASIC的设计方法参见图1-16。

现在还出现了一类新的产品，被称为ASSP（Application Specific Standard Product），即专用标准产品。ASSP仍是由半导体制造厂商设计和制造，并被列入产品目录中，作为一类标准产品卖给多个用户。ASSP产品涉及的应用领域日益增多，如用于图形处理的集成电路、用于通信的CODEC电路、以32位RISC MPU为内核的产品等。ASSP产品可以使电子系统得以通过较低成本获得改进，并能迅速投入市场，但ASIC电路因具有个性化和保密性等特点，可使电子系统厂家的产品获得某种特色功能或特殊性能，因而能在市场上获取较高的利润。

图1-16　ASIC设计方法

5.集成电路分类

集成电路产品的品种成千上万，除了按集成度分类外，还多种分类标准，例如按器件结构类型分，有双极集成电路和MOS集成电路，如图1-17所示。

图1-17　集成电路的分类

双极集成电路的优点在于速度高、驱动能力强等，缺点是功耗较大、集成度相对较低。

MOS集成电路的优点是输入阻抗高、功耗低、抗干扰能力强且适合大规模集成。特别是CMOS集成电路，具备更多的特殊优点，如静态功耗几乎为零、输出逻辑电平可为VDD或VSS、上升和下降时间处于同数量级等，因而CMOS集成电路产品目前已成为集成电路的主流产品。(www.xing528.com)

BiCMOS集成电路由于综合了双极和MOS集成电路的优点，弥补了彼此的缺点，因而具备很好的性能，但其制造工艺比较复杂、生产成本较高。

集成电路按结构、功能的详细分类见图1-18。

按照集成电路产品功能分类，有数字集成电路、模拟集成电路和数模混合集成电路。

数字集成电路处理的是数字信号，即对二进制数字信号进行计算或函数运算。按输入信号的时序关系细分，又分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。前者的输出结果只与当前输入信号有关；而后者的输出结果不仅与当前输入信号有关，还与以前的逻辑状态有关。

模拟集成电路处理的是模拟信号（连续变化的信号），又可分为线性电路、非线性电路和接口电路三大类。

图1-18　器件类型的详细分类

数模混合集成电路把数字电路和模拟电路集成在一个芯片上，获得了更为复杂的电路功能，是集成电路发展的新趋势。

集成电路产品还可以按通用标准产品和ASIC产品分类，如图1-19。ASIC产品分为全定制、定制和半定制。标准产品中除标准逻辑系列产品外，还有可编程集成电路。

图1-19　标准产品和ASIC产品的分类

从集成电路产品制造材料而言，除了硅集成电路外，20世纪80年代中期，以砷化镓（GaAs）为材料、可工作在微波频段下的化合物集成电路逐步发展成熟，通常被称为单片微波集成电路（MMIC）。以绝缘材料（如蓝宝石）作为衬底而制造出来的集成电路也在一些特殊领域获得应用，但由于价格较贵，应用领域较窄。目前硅材料仍旧是集成电路的主流制造材料。

二、集成电路的未来

21世纪是一个信息化的社会，如果说前20年的历史是PC的需求驱动集成电路发展的话，那么后20年除PC仍会继续发挥影响外，与Internet相结合的、可移动的、网络化的、智能化的、多媒体的实时信息设备和系统将是主要的驱动力。此外，计算机、通信和消费电子产品的一体化也将是重要的驱动力。集成电路将会根据设备和系统性能的要求不断进行技术和产品的升级。

1999年到2014年世界集成电路发展趋势表（road map），见表1-5。

表1-5　世界集成电路发展趋势表

21世纪的微电子技术将从目前的3G时代逐步发展到3T时代，即存储量由Gb发展到Tb，集成电路中器件的速度由GHz发展到THz，数据传输速率由Gbps发展到Tbps。

硅集成电路的未来发展趋势有以下三个方面：

1.继续缩小器件的特征尺寸

IC生产中的特征尺寸将从目前的深亚微米（0.18μm～0.25μm）进入到纳米量级（10nm～20nm）。因此在基础物理层次（如半导体器件的输运理论、器件模型、器件结构等）、加工工艺层次（如光刻技术、互联技术等）、电路技术层次（低电压、低功耗技术、热耗散技术等）以及材料体系层次上，有大量的研究和开发工作需要进行。

IC生产中的硅晶圆片的尺寸还会加大，目前以8英寸和12英寸为主，到2017年左右有可能出现采用16至18英寸直径的硅片制造集成电路的技术。

2.单片系统集成芯片（System on a Chip，SOAC）的出现

目前在一个芯片上已经可以集成108至109个晶体管，因而已经有可能将一个子系统乃至整个系统集成在一个芯片上。例如将一个数字电视系统的单片接收器集成在一个芯片上，该子系统包括一个中央处理器（CPU）、多个专用功能块、总容量为112Mb的动态存储器（DRAM），整个芯片大约有20 500万个晶体管；如采用0.18μmCMOS工艺来实现，其面积约为15mm×15mm。再如将一个多媒体个人计算机集成在一个芯片上，该系统由MPEG-2编译码器、二维-三维图像加速器、ATM局域网控制器以及大容量的动态存储器所构成。这样的芯片，其集成度约高达21亿个晶体管；如采用0.1μm CMOS工艺来实现，其面积约为10mm×10mm。

单片系统集成芯片（SOAC）对微电子设计而言是一场革命，传统的集成电路设计技术已难以满足要求，设计方法和设计工具都需要有新的变革。SOAC是从整个系统的角度出发，把性能要求、系统算法、芯片结构、软件（嵌入式操作系统）、模块划分、各层次的电路直至器件的设计紧密地结合起来，实现从系统行为级开始的自顶向下（topdown）设计。为此，除了要有工艺条件（包括不同工艺的兼容技术）外，还需要有相应的关键技术加以支持，例如：应有预先设计好的功能块库，也成为IP（Intelligent Property）库以及IP的复用技术；各功能模块的综合分析技术；软、硬件的协同设计技术；研究软件和硬件功能的划分理论。

3.微电子技术与其他学科相结合

微电子技术发展的另一重要趋势是通过将微电子集成技术与其他学科相结合，诞生出一系列崭新的科学领域和重要的经济增长点。作为与微电子技术结合的成功典型已有微电子机械系统（Microelectro Mechanical System，MEMS）、微电光机械系统（MOEMS）以及生物芯片（Bio-Chip）。

MEMS是一种微型系统，它是将微电子技术与微机械加工技术互相融合、微电子与微机械相结合的产品。典型的MEMS是将信息获取、信息处理及执行单元等系统集成在一起。MEMS系统以硅基材料为主，其加工制作技术建立在硅微细加工的基础上，因而MEMS与半导体集成电路一样，具有可大批量生产、价格低廉、微型化等优点。MEMS两个最主要特征是它的微小化和精细化。目前最小的微机械元件的尺寸是几个微米甚至更小，微小化的另一含义是指微机械可执行的操作范围已达到单个细胞甚至是分子量级之内。其精密的程度也是惊人的，有的微机械的敏感量已达到单个原子的范围。

硅基MEMS是把微型声、光、磁、生物等传感器和显示、机械等执行器件与硅的信号处理电路、控制电路、接口电路等集成在一起。已开发成功的典型MEMS器件有集成微传感器（smart sensor）、硅微马达、硅微型泵、硅微流量计等。近年来已出现了相当复杂的MEMS系统，如微型姿态测控系统、微型扫描隧道显微镜等。

Bio-chip是采用微电子技术与生物科学相结合而产生的生物工程芯片。它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞的功能，在固定芯片表面构建成微分析单元，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞及其他生物组分的正确、快速地检测。目前已开发出DNA基因检测芯片等。

三、无生产线集成电路设计技术

集成电路发展的过程中，数字电路曾经以其基本单元数量少，易于大规模集成而占据主导地位，其发展的总趋势是革新工艺、提高集成度和速度。在此过程中，电路设计大多在工艺制造单位内部的设计部门进行。这样的设计是有生产线集成电路设计。在这一阶段，无生产线单位一方面难以加入花巨额投资才有可能参与的工艺革新竞争行列，另一方面难以参与芯片设计和实现。

随着集成电路规模的爆炸式扩展，模拟数字混合集成系统的广泛需要，知识密集型的芯片设计变得比技术密集型的芯片制造重要起来。另一方面，集成电路生产的高利润前景引发了众多生产线在世界各地的建造，从而导致了集成电路产业生产能力的剩余，即生产线“无米下锅”局面的出现。人们需要更多的功能芯片设计，从而促进了集成电路设计的发展并使得不少设计公司应运而生。这些设计公司拥有设计人才和技术，但不拥有生产线，成为无生产线（Fabless）集成电路设计公司。在国外，现在已有众多这样的公司在运作，如美国硅谷就有200多家Fabless集成电路设计公司，其中有50多家上市公司。台湾有这样的大中型公司100多家。芯片设计单位和工艺制造单位的分离，即芯片设计单位可以不拥有生产线而存在和发展，而芯片制造单位致力于工艺实现（代客户加工，简称代工），已成为集成电路技术发展的一个重要特征。

图1-20形象地给出集成电路的无生产线设计与代工制造之间的关系。我们可以沿着图中从代工单位左上行到设计单位、再右直行到代工单位、最后左下行到设计单位的S曲线对整个集成电路设计和制造过程加以描述。

图1-20　集成电路的无生产线设计与代工制造之间的关系

首先，代工单位将经过前期开发确定的一套工艺设计文件PDK（Process Design Kits）通过因特网传送（或光盘等媒质邮寄）给设计单位，这是一次信息流过程。PDK文件包括工艺电路模拟用的器件的SPICE参数，版图设计用的层次定义，设计规则，晶体管、电阻、电容等元件和通孔（via）、焊盘等基本结构的版图，与设计工具关联的设计规则检查DRC（Design Rule Check）、参数提取（EXTraction）和版图电路图对照LVS（Layout-vs-Schematic）用的文件。

设计单位根据研究项目提出的技术指标，在自己掌握的电路和系统知识基础上，利用PDK提供的工艺数据和CAD/EDA工具，进行电路设计、电路仿真（或称之为“模拟”）和优化、版图设计、设计规模检查DRC、参数提取和版图电路图对照LVS，最终生成通常以一种称之为GDS-Ⅱ格式的版图文件，目前基本上都是通过因特网传送给代工单位。这也是一次信息流过程。

代工单位根据设计单位提供的GDS-Ⅱ格式的版图数据，首先制作掩膜（Mask），将版图数据定义的图形固化到铬板等材料的一套掩膜上。一张掩膜一方面对应于版图设计中一层的图形，另一方面对应于芯片制作中的一道或多道工艺。正是在一张张掩膜的参与下，工艺工程师完成芯片的流水式加工，将版图数据定义的图形最终有序地固化到芯片上。这一过程通常简称为“流片”。根据掩膜的数目和工艺的自动化程度，一次流片的周期约为2个月。代工单位完成芯片加工后，根据路程远近，利用飞机等不同的快速运输工具寄送给设计单位。

设计单位对芯片进行参数测试和性能评估，符合技术要求时，进入系统应用。从而完成一次集成电路设计、制造和测试与应用的全过程。否则就需要进行改进和优化，才能进入下一次循环。

四、芯片工程与多项目晶圆计划

上述集成电路无生产线设计与代工制造的F＆F（Fabless and Foundry）模式体现着分工合作的现代大生产潮流。但是，要求用这种模式展开集成电路设计人才培养、技术研究和小规模创业，仍有一系列问题需要解决。首先F＆F模式是一条很长的技术和管理的链，链中存在着各个环节。同时，如上所述，无生产线IC设计与代工制造之间需要建立信息流和物流的渠道。要连通技术和管理的所有环节，要开辟信息流和物流的全部渠道，需要投入巨大的人力、物力和财力。这无疑不是每一个教育和研究单位，或是一个中小公司所能够和所值得去做的。

因此，工业发达国家通过组织无生产线IC设计的芯片计划来促进集成电路设计的专业发展、人才培养、技术研究和中小企业产品开发，已经取得成效。其做法是，由政府有关部门资助；由一至几所大学或研究所作为龙头单位，负责人员培训，技术指导，版图汇总，组织芯片的工艺实现，性能测试和封装；各大学微电子学科的教师，本科和研究生，研究机构的课题组，以及中小电子企业作为工程直接受益群体，以自愿形式参加，按占用芯片面积支付芯片制造费，并支付必要的人员培训、芯片测试与封装等费用；工艺实现单位按协议参加芯片工程，从芯片制造和日后的批量生产中得到利益；电路设计自动化软件提供单位按协议参加芯片工程，优惠提供软件产品，通过扩大产品销量和开辟潜在市场得到利益。

在这样的芯片工程中，除了IC设计工具代购和人才培训之外，芯片工程组织单位的一项重要任务，就是开展多项目晶圆MPW（Multi-ProjectWafer）技术服务。

MPW技术最初是集成电路研发机构为减低芯片开发成本而引入的芯片制造技术。我们知道，现在国际上主流的硅片直径8英寸，如果在同一硅片上只试制一种集成电路，这样芯片研发的成本可能就非常高。例如，单纯制作0.35μm CMOS工艺的一套掩膜就需支付数万美元，一次流片又要上万美元。如果将5～10万美元的费用仅用于一种芯片的试制，如果不是一次流片成功，那费用和风险就太高了，不要说是一个学校或研究所的研究课题，就是一个大型公司的项目，也都难以承担。如图1-21所示，MPW技术是把几到几十种工艺上兼容的芯片拼装到一个宏芯片（Macro-Chip）上，然后以步进的方式排列到一至多个晶圆上。这样可使昂贵的制版和硅片加工费用就由几十种芯片分担。如果同时加工50种芯片，则每种芯片的制造费用就大约减少到单独制造时的1/50，从而极大地降低了实芯片研制成本。事实上，在一个晶圆上还可以通过变换版图数据交替地布置多种宏芯片。

图1-21　芯片、宏芯片和以宏芯片为单元步进构成的多项目晶圆

MPW技术服务的更重要的意义就在于在无生产线IC设计与代工制造之间建立信息流和物流的多条公共渠道，将众多的无生产线IC设计单位（学校、研究所和中小企业）和代工制造单位联系起来，完成他们没有能力或不值得做的事情，从而专业化、高效的推动集成电路设计与制造F＆F模式的发展。对于无生产线IC设计单位来讲，一个MPW技术服务中心相当于一个虚拟制造中心，因为他们只需要同该中心联系，信息流和物流都从这里进出；而对于代工单位来讲，一个MPW技术服务中心则相当于一个虚拟用户，信息流和物流也都从这里进出。图1-22给出无生产线IC设计单位（FICD）、MPW技术服务中心和代工单位（Foundry）之间的关系。

美国国防部国防高级研究机构（DARAPA）早在1980年就在南加州大学（University of South California）的ISI启动了MOSIS计划，目的在于以低廉的价格为DARAPA研究团体利用先进的IC生产线进行芯片制作提供便利。1985年，DARAPA跟国家科学基金会签订了协议，开始向美国大学的VLSI设计教学提供服务。1986年，服务扩展到美国商业领域，1995年扩展到境外的商业领域和教育机构。到目前为止，MOSIS已经为DARAPA研究、DARAPA/NSF教育和商业公司制作了超过45 000种（每年2 200种）集成电路。在最近5年里，平均每年有5 200名来自50个州150多所大学的学生参加了这个教育计划。东南大学射频与光电集成电路研究所于1998年2月同MOSIS建立合作关系，到2003年通过MOSIS完成了10多批近百种芯片的研制。

图1-22　无生产线IC设计单位（FICD）、MPW技术服务中心和代工单位之间的关系

1995年欧洲联盟在原Eurochip（欧洲芯片）的基础上启动了Europractice（欧洲实践）计划，目的在于帮助企业在他们制造的产品中采用ASIC、多芯片模块（MCM）和微机械而增强他们在世界市场上的竞争能力。Europractice提供5项基本服务：①IC制造；②高密度封装；③微机电系统；④欧洲培训；⑤软件支持。数年来Europractice已经成为一个创造工业ASIC原型并提供小批量芯片制造服务的机构。同全世界37个国家的近450家用户签订了近3 000份协议。100多所大学参加了该项目，并从中受益。完成流片2 000多次，其中大学教师和学生流片约1 500次。100多次小批量生产制造250万块芯片。

法国有一个教育部领导工业部支持的国家微电子人才培养委员会CNFM（French National Committee for Micro-electronics Training），负责协调各中心和联合服务单位的工作，分配经费，确定培训课程，并组织联合行动，为大专院校提供可用资源和技术支持，组织微电子人才的继续培养。CNFM把他们支持成立的实验室和培训设施进行了整合，组成了11个资源共享中心，包括3个主中心和8个专项中心，并形成网络。各中心都有工业界广泛使用的各种集成电路设计软件，如Cadence，Compass，Mentor Graphics以及FPGA软件等，从而保证了所培养学生的实际设计能力。11个中心除了拥有设计用软、硬件设备外，3个主中心还拥有工艺技术资源，8个专项中心也拥有各种用于混合技术、微波技术、特征参数提取以及测试等方面的专用设备。法国把MPW计划称为CMP（法语Circuits Multi-Projets即多项目电路的缩写，该中心位于法国东南部格兰诺布利（Grenoble）市的信息与应用数学学院IMEG内。CMP自1981年成立以来，已组织MPW形式的芯片制作300多次，制作出芯片3 000余种。现在为全世界40个国家的280个研究单位提供服务。2000年东南大学射频与光电集成电路研究所与CMP建立了合作关系，已实现了10多种芯片的工艺制作。

加拿大微电子公司CMC（Canadian Microelectronics Corporation）是1984年成立的非营利组织，主要给加拿大的大学提供微电子工业化技术，并提供技术支持。这不仅促进了科学研究的发展，而且保证了高素质的毕业生资源。目前，CMC也向商业用户提供设计和工程设计技术方面的支持和服务，主要针对中小型企业。若商业用户要使用CMC提供的教育研究用软、硬件，需要经过单独磋商和特殊许可。CMC的成员包括42所大学，25家公司以及7家其他工业组织和个体。

日本的VLSI设计和人才培养中心VDEC（VLSIDesign＆Education Center）位于日本东京大学，自1996年5月成立以来，已得到全日本学术界的广泛利用。作为一个MPW服务中心，VDEC致力于提高VLSI设计的教育水平，为国立、民办和私立大学与学院的芯片制造提供支持。1999年共有来自129所大学的387位教授参加了VDEC的MPW计划。

韩国的集成电路设计人才培养中心IDEC（Integrated Circuit Education center）1995年在韩国高级理工学院成立。其主要使命定义为：①建立和加强VLSI设计人才培养领域的基础环境；②培养高水平的VLSI和系统设计人才；③通过推动大学和工业界的合作为韩国的半导体工业作出贡献。有59所大学的64个研究小组参加了IDEC的各种VLSI设计人才培养项目。IDEC主要面向教育和科研机构开展了七个方面的工作：①提供计算机设备和EDA工具；②VLSI设计教学和EDA工具培训；③提供MPW芯片制造服务；④编写教科书，制作录像带和光盘等教学资料；⑤开发元件库；⑥支持工艺研究小组；⑦举办IC和系统设计交流会。

在1993年1月中国台湾地区的新竹科学园区成立类似美国MOSIS的集成电路设计服务单位“芯片制作中心”（Chip Implementation Center简称CIC），后改称“芯片系统设计中心”。目前服务对象主要为中国台湾地区各大专院校，部分资源也提供给产业界及研究机构使用。该中心主要工作分为三项：①IC芯片及系统设计服务；②芯片制作及测试服务；③技术交流与教育训练。

总之，实施芯片工程，发展无生产线芯片技术已证明为促进微电子技术教学和人才培养，使多方受益的一条成功途径。

为加速我国集成电路事业的发展，为促进高等院校的教学，培养高质量的IC设计人才，1997年复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室率先在上海高校范围内开展多项目芯片服务。2000年清华大学微电子所设立MOS多项目服务中心。其目标都是要以低制造成本来满足大学师生的教学实验和科学研究的需求。对于高等院校和相关科研院所的非盈利性电路设计项目，在服务收费上给予适当优惠，教育项目可申请基金，实现免费服务。

东南大学射频与光电集成电路研究所（简称射光所）从1998年开始先后与美国的MOSIS工程和法国的CMP工程建立了合作关系，同时与境内外多家代工厂家建立了直接的合作关系，主要开辟了深亚微米CMOS、砷化镓和SOI等射频和超高速集成电路代工渠道。截至2003年，射光所已经通过这些工艺线进行十多批上百种芯片的制造，取得了一系列研究成果。为大学、研究机构的科学研究以及中小企业项目开发和小批量生产开辟出了一条道路。

2002年2月，集成电路设计上海产业化基地在市中心北京路上的科技京城揭牌。在该中心内，MPW服务计划在科技部和市政府的支持下开展。

目前，国家863计划超大规模集成电路设计重大专项支持北京和上海两个集成电路设计产业化基地和东南大学射频与光电集成电路研究所承担全国性的MPW技术服务。目前国家集成电路设计北京产业化基地为美国东部电子公司提供0.25/0.18μm CMOS、CSMC-HJ 0.8μm CMOS、Chartered公司0.35μm CMOS、HHNEC 0.35μm Embedded EEPROM CMOS和TSMC 0.25/0.18μm CMOS等工艺的MPW技术服务。目前国家集成电路设计上海产业化基地提供CSMC-HJ 0.6μm CMOS、CSM 0.35μm CMOS、TSMC 0.25μm CMOS和SMIC 0.18μm CMOS等工艺的MPW技术服务。

此外，国家集成电路设计深圳产业化基地目前提供CSMC-HJ 0.6μm CMOS等工艺的MPW技术服务。中国科学院EDA中心的MPW流片服务于2003年6月开始运行，MPW代工工艺包括中芯国际的0.35/0.25/0.18μm CMOS等。这一切无疑为中国大规模开展集成电路人才培养、技术研究和产品开发奠定了基础。