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科普 | 圖說晶片技術60多年的發展史(中篇)

前言

:上篇簡述了188年前,在長達114年的時間裡,科學家開始逐步發現、認識和研究了

半導體

,也簡述了

電子管

電晶體

積體電路

、以

光刻

為核心的

矽平面加工技術

CMOS電路

非揮發儲存器

單管DRAM

等重大發明。在電晶體發明後的20多年裡,這些發明為晶片技術快速發展打下了基礎,為晶片技術沿著摩爾定律前行鋪平了道路。此文為中篇,介紹從1970年開始,晶片技術日新月異的發展歷史。

7.

全球首個微處理器晶片問世,人類社會資訊化大幕開啟

1971年,美國Intel公司推出全球第一個微處理器4004晶片。

它是一個4位的中央處理器(CPU)晶片,採用MOS工藝製造,片上集成了2250個電晶體。這是晶片技術發展史上的一個里程碑。同年,Intel公司推出1kb動態隨機儲存器(DRAM),標誌著

大規模積體電路

(Large Scale Integrated circuits,LSI)出現。

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圖25

。Intel 4004 CPU晶片的顯微照片

和封裝後的外觀圖

1974

,美國RCA公司推出第一個CMOS微處理器1802晶片。它是一個8位的CPU晶片,首次採用了CMOS電路結構,處理器的耗電量要小很多。RCA 1802是第一款應用在航天領域的微處理器,例如,Viking、Galileo和 Voyager等航天專案都應用了該晶片。

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圖26

。RCA 1802 CPU晶片的顯微照片

和封裝後的外觀圖

1976

,16kb DRAM和4kb SRAM問世。

8. x86

開啟了PC機拉動晶片產業發展的新時代

1978年,Intel釋出了新款16位微處理器8086,x86世代王朝創立。

Intel 8086上集成了約4萬個電晶體,採用 HMOS工藝製造,+5V電源,時鐘頻率為4。77MHz~10MHz,外部資料匯流排均為16位,地址匯流排為4+16位。在8086推出不久,Intel還發布了其變化版本8088。Intel 8086開創了x86架構計算機時代。x86架構是一種不斷擴充和完善的CPU指令集,也是一種CPU晶片內部架構,同時也是一種個人計算機(PC)的行業標準。

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圖27

。Intel 8086 CPU晶片的顯微照片

和封裝後的外觀圖

也是在

1978年

,64kb動態隨機儲存器誕生,不足0。5平方釐米的矽片上集成了多達15萬個電晶體,線寬為3微米。標誌著晶片技術進入了

超大規模積體電路

(Very Large Scale Integrated circuits,VLSI)時代。

以x86命名的桌面計算機的時代。

Intel公司基本上每3~4年推出一款創新的微處理器。早期以8086、80186、80286、80386、80486為代表,Intel CPU晶片基本主導了臺式計算機和膝上型電腦的天下,PC型號大多數以CPU的名稱來命名,例如286、386、486等。Intel CPU代表全球最先進晶片技術,也引領了晶片前沿技術的發展方向。

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圖28

。Intel 80286/386/486 CPU晶片

的顯微照片和封裝後的外觀圖

1980

,日本東芝(Toshiba)公司的舛岡富士雄(Fujio Muoka)發明了NOR 閃速儲存器(NOR Flash Memory),簡稱NOR快閃記憶體(NOR Flash)。

1987年

,他又發明了NAND閃速儲存器(NAND Flash Memory),簡稱NAND快閃記憶體(NAND Flash)。

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圖29

。日本東芝的舛岡富士雄發明Flash

1981

,IBM基於8088推出全球第一臺個人計算機(PC)。第一臺IBM PC用的Intel 8088主頻為4。77MHz,作業系統採用Microsoft的MS-DOS。有人評價說PC的歷史就是IBM80年代的歷史。IBM PC的研製專案主管是唐。埃斯特利奇(Don Estridge),他被譽為是IBM PC之父。

從IBM PC機開始,PC真正走進了人們的工作和生活,它標誌著計算機應用普及時代的開始,也標誌著

PC消費驅動晶片技術創新和產業發展

的時代開啟。也是在

1981年

,256kb DRAM和64kb CMOS SRAM問世。

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圖30

。埃斯特利奇與最早的IBM PC

1982

,Intel推出80286微處理器(圖28)。

1984

,日本宣佈推出1MbDRAM和256kb SRAM。

1985年,微軟公司推出Windows作業系統。

早期的Windows1。X、2。X和3。X可以說是MS-DOS的圖形介面外殼軟體。1995年,微軟公司推出Windows 95後,逐步以Windows取代了之前15年採用的MS-DOS底層系統。後來,微軟公司與Intel公司強強聯合,形成所謂的Wintel計算機架構,大大促進桌面計算機普及,全球網路化、資訊化也大力促進了晶片產業的發展。也是在

1985年

,Intel推出80386微處理器(圖28)。

1988

,Intel看到快閃記憶體(Flash)的巨大潛力,推出了首款商用快閃記憶體晶片,成功取代了EPROM產品,主要用於儲存計算機軟體。也是在

1988年

,16M DRAM問世,1平方釐米大小的矽片上可整合約3500萬個電晶體,標誌著晶片技術進入了

特大規模積體電路

(Ultra LargeScale Integrated circuits,ULSI)階段。

1989

,Intel推出80486微處理器(圖28)。1Mb DRAM進入市場。

1992

,64Mb隨機儲存器問世。

1993年,Intel推出奔騰CPU晶片,計算機的“奔騰”時代到來。

在Intel 80486推出四年之後,人們預測80586 CPU即將推出。但Intel公司1993年向用戶展示的是新的CPU系列,命名為

奔騰

(Pentium)。奔騰CPU每個時鐘週期可以執行兩條指令,在相同時鐘速度下,奔騰CPU執行指令的速度大約比80486快五倍。

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圖31

。Intel奔騰CPU晶片的顯微照片

和封裝後的外觀圖

奔騰CPU經過四代升級後,Intel推出了新系列的奔騰CPU。

1997年

Intel開始推出奔騰Ⅱ系列CPU晶片;

1999年

Intel開始推出奔騰Ⅲ系列CPU晶片;

2000年

Intel開始推出奔騰Ⅳ系列CPU晶片。每種奔騰產品都有幾代的升級版本或者特色款式。

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圖32

。Intel奔騰Ⅱ/Ⅲ/ⅣCPU晶片的顯微照片

和封裝後的外觀圖

1994

,由於整合1億個元件的1G DRAM的研製成功,標誌著晶片技術進入了

巨大規模積體電路

(Giga Scale Integrated circuits,

GSI

)時代。

1997年,IBM公司開發出晶片銅互聯技術。

當時的鋁互連工藝對180nmCMOS而言已不夠快。IBM最初的研究,銅的電阻比鋁低40%,導致處理器速度暴增15%以上,銅的可靠性更是比鋁高100倍。在1998年生產出第一批PowerPC晶片時,與上一代300MHz的PowerPC晶片相比,銅互連版本速度提高了33%。也是在

1997年

,Intel開始推出奔騰Ⅱ系列CPU晶片(圖32)。

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圖33

。IBM公司開發出晶片銅互聯技術

1999年,胡正明教授開發出了鰭式場效電晶體(FinFET)技術。

他被譽為是3D電晶體之父。當電晶體的尺寸小於25nm時,傳統的平面電晶體尺寸已經無法縮小,FinFET的出現將電晶體立體化,電晶體密度才能進一步加大,讓摩爾定律在今天延續傳奇。

這項發明被公認是50多年來半導體技術的重大創新。FinFET是現代奈米電子半導體器件製造的基礎,現在7nm晶片使用的就是FinFET設計。2016年5月19日,美國總統奧巴馬在白宮為2015年度美國最高科技獎項獲得者頒獎,其中包括FinFET的發明者胡正明教授。胡教授還獲得了2020年IEEE最高榮譽獎章。也是在

1999年

,Intel開始推出奔騰Ⅲ系列CPU晶片(圖32)。

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圖34

。FinFET技術的發明人胡正明教授

2000

,Intel開始推出奔騰Ⅳ系列CPU晶片(圖32)。同年,1Gb RAM投放市場。

Intel酷睿CPU時代來臨,多核心CPU登上歷史舞臺。

“奔騰”處理器時代長達12年,之後的2006年1月,Intel推出了命名為“酷睿”(Core)的微處理器晶片,開始時Core CPU主要用於移動計算機,上市不久即被Core2系列取代,後續推出了Core i3、Core i5、Core i7和Corei9等多核心CPU系列。

2006

1月,Intel Core Solo和Core Duo上市,8月Intel就推出了桌面版和移動版的2核心的酷睿2,型號是Core2 Duo,採用了65nm的工藝製造。

2007年,蘋果公司推出iPhone手機,樹立了智慧手機的樣板。

從此之後,智慧手機都以

平板

+

觸屏

的面貌出現。它促進了移動智慧終端(包括智慧電話、平板電腦等)的普及,對移動網際網路產業發展起到重要的促進作用。之後,移動網際網路逐步替代桌面網際網路,成為了驅動晶片產業發展的主要力量。

詳見【芯論語】科普:圖說晶片技術60多年的發展史(下篇)。

2008

,Intel推出4核心的酷睿2,型號是Core2 Quad,採用了45nm的工藝製造。

2010

,採用領先的32nm工藝Intel酷睿i系列全新推出,其中包括Corei3系列(2核心)、Core i5系列(2核心、4核心)、Core i7系列(2核心、4核心和6核心)、Core i9(最多12核心)系列等,下一代22nm工藝的版本也陸續推出。

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圖35.

Intel酷睿(Core)系列CPU的全家福

(2013年留影)

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圖36.

Intel酷睿(Core)系列多核心CPU舉例

2011

,Intel推出了商業化的FinFET工藝,用在了其22nm的工藝節點。

桌面電腦CPU晶片二哥,AMD公司神一樣地存在著。

AMD公司立於1969年,AMD從血緣來講應該是Intel的族弟,在50多年的發展中,他與Intel很好地比肩而行。Intel作為全球CPU晶片老大,偶爾欺負一下老二AMD也鮮有成功,更不敢有滅掉族弟的念頭。客觀上AMD的存在讓Intel沒有了行業壟斷之嫌,這是Intel最看重的。

兩家公司沿著x86路線同向而行,在技術努力創新,互相借鑑,對晶片技術發的發展做出了貢獻。Intel和AMD的晶片發展歷程可以用他們的桌面CPU天梯圖簡要表達。

圖37

。Intel和AMD桌面電腦CPU天梯圖

2012年,三星發明了堆疊式3D NAND Flash,晶片技術迎來了3D時代。

2013年推出第一代24層3D NAND快閃記憶體晶片,2014年推出第二代32層V-NAND晶片。

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圖38

。三星前兩代3D NAND Flash技術比較

2018

,Intel推出的伺服器CPU晶片Xeon W-3175X,採用14nm工藝製造,28核心56執行緒,主頻3。1~4。3GHz,三級快取38。5MB,記憶體支援六通道DDR4-2666 ECC/512GB,封裝介面LGA3647,搭配晶片組C621,售價高達2999美元(2萬多元人民幣)。

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圖39.

Intel Xeon W-3175X 28核心的

伺服器CPU舉例

未完待續。

敬請期待【芯論語】科普:圖說晶片技術60多年的發展史(下篇),主要介紹移動網際網路成為驅動晶片產業的有生力量;後摩爾時代,晶片技術創新和產業變革加快。

後記

1970~2010年的40年間,晶片產業鏈全球化分工協作良好,晶片技術發展快速。CPU、PC機、大規模儲存器的發明,拉開了全球計算機化和資訊化大幕,Wintel計算機架構形成,桌面網際網路成為了拉動晶片技術進步和產業發展的主力。Intel CPU成為晶片技術進步的旗幟,先後經歷了x86 CPU的升級,奔騰CPU的迭代,目前是酷睿CPU技術的不斷創新。與Intel CPU比肩發展的AMD CPU也是神一樣的存在,對晶片技術發展也起到了促進作用。摩爾定律預言的晶片發展規律在這期間很好地被驗證。

下篇主要介紹移動網際網路拉動晶片技術進步和產業發展的歷史。

參考資料

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3。Andrew Huang,電腦達人養成計畫 2-7:中古時代後期 CPU 發展史 (上),網站:https://isite。tw/2016/01/27/14785,2016。1。27

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10。DOIT學院,1967年至今,快閃記憶體的發展史,搜狐:https://www。sohu。com/a/333668728_120172415,2019。8。14

11。愛活網,酷睿i9-10900K處理器首測:遊戲之巔不勝寒,看點快報:https://kuaibao。qq。com/s/20200520A0PBKT00?refer=spider,2020。5。20

12。李博潮,8核5960X配DDR4 Intel Haswell-E首測,中關村線上:https://cpu。zol。com。cn/475/4755866_all。html?_t_t_t=0。7139762167843171,2014。8。30

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