IC如何创新

增加ＩＣ集积度

　　把电路集合起来有许多好处，其中有一些我们在本书开始的地方已经简短叙述过了。其中一个就是可靠度的改进，因为集成电路里面的电接触，比起把分立元件焊接在线路板上，是远为可靠的。把元件连起来组成电路是一项费用很高的程序，特别是如果我们把测试和重新安接那些不合格接头的费用也算进来的时候，更是如此。

　　这种降低电路价格的需求，是电路集积度不断增加的主要推动力量，电路的价格往往是用完成一项电子功能需费用多少来计算的。举例来说，用分立元件做成的记忆单元，它的价格是所有零件的价钱，加上把这些零件焊接在电路板上费用的和。与此相比的是，一个集成电路也许包含十万个记忆单元，在这种情况下，一个单一功能的价格是做这个电路价格的十万分之一。看起来，降低单位功能价格的办法就是增加单一集成电路上元件的数目，虽然我们会看到这也是有些困难的。

　　增加单一集成电路上元件数目的这个目标，过去是从两个方向来着手的。最简单的方法就是增加每个集成电路所占的面积，这个面积平常叫做"晶元面积"（die area）。这个方法的主要问题是如何得到高良品率（yield，又简称良率），也就是说保证大多数完成的电路可以运作。

　　举例来说，如果一个矽晶圆上有四百个电路〔即四百个"芯片"（chip）或四百个晶元〕。由于各种缺陷，我们发现一百个电路不能工作，因此良品率是百分之七十五。如果制作这个矽晶圆的费用是3,000英镑，那么每个集成电路的造价是10英镑。如果我们现在把每个集成电路的面积加倍，现在矽晶圆上只能放得下两百个集成电路了（事实上，实际的数目比这个稍小，因为晶元是方形的，而矽晶圆是圆的，因此在边上会损失一些）。如果还是有一百个缺陷，那么良品率就只有百分之五十了。每一个集成电路的造价现在是30英镑。

　　因此，虽然这些较大的电路包含了两倍的元件数目，每一项功能的价格实际上要比小电路的价格来得高。这样的论点似乎说小电路可以得到更低的单位价格，与我们所说的相反。不过，如果把封装价格也加进来，比如说每个芯片是30英磅，那么芯片的总价格就分别变成40英磅和60英磅。因此，大型电路的确使得每一功能的平均价格比较低。

　　但是这样的方法能走多远明显是有限度的。不用多想就知道，如果晶元面积再加倍的话，良品率会再降低，最多只会有几个集成电路合格，每一个的价格将会变得非常高。因此，在让良品率最佳化和把一定尺寸的元件尽量多放进单一集成电路，这两者之间不能两全，必须有一些取舍。

　　虽然如此，由于矽晶圆品质和清洁间设备的改进，晶元面积在过去这些年仍然是持续在增加。结果，集成电路的面积在过去三十年大约增加了一百倍，而没有怎么影响到良品率。

　　在集成电路面积增加的时候，每个单独元件的尺寸则显著的减小。这主要是由于光刻技术的持续进步，因而可以定义更小的结构。

　　这种尺寸缩小的好处是很容易了解的。如果我们把所有的尺寸都缩小一倍，那么在同样的面积上就可以挤进四倍的元件。因为集成电路的价格基本上与电路所占的面积直接相关，这就让每一功能的价格下降为四分之一。

　　把每一元件的尺寸缩小还有第二个好处，那就是它对于元件操作速率的影响。就像我们在前一章所看到的，金氧半晶体管的开关速率是由电子通过闸极区的时间来决定的。把这个距离降低一半，我们就可以把元件的性能增加一倍。

　　VLSI、ULSI、……

　　这些降低价格、减小尺寸、增强性能的诸多优点，使得单一矽芯片上可以放得下的电子元件数目，增加得更快了。这很清楚的可以在图5.3上看出来，这个图显示自从1959年发明集成电路以来，一个芯片上最大可能的元件数目是如何增长的。

　　最早的集成电路，每个电路的元件数少于五十个，叫做小型集成电路。从那时以后，我们经过了中型和大规模集成电路的阶段。现在最先进的技术叫做超大规模集成电路（very-large-scale integration），或简称为VLSI。虽然没有什么很确定的范围，一般来讲，超过十万个晶体管的集成电路可以叫做VLSI。

　　这样还能够继续增加下去多久？常识就可以告诉我们，这必然会有一个极限，特别是对于降低单一元件的尺寸来说，更是如此。虽然这样，有好几百万个元件的集成电路已经制作出来了，把技术带到了极大规模集成电路（ultra-large-scale integration）的阶段。我们得感谢，这个名词似乎赢过了另一个没有什么想象力的名词──超大超大规模集成电路（very very-large-scale integration）！

　　电路设计师现在已经在讨论，到了二十一世纪初，可能有十亿级的集积度，也就是说每个晶元上有十亿个晶体管。怎么样才能做到这个程度？让我们从继续缩小每个元件的尺寸，会遇到什么困难来考虑这个问题。