【探索13】IC科技:始終為了人類(的手機)

圖片來源|www.lscpinfo.co.uk
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講師|臺大電機系 闕志達教授
撰文|
鄭兆庭

智慧型手機是有史以來普及最快的電子產品。人類生活中開始出現電視、電話到家家戶戶都有電視、電話,大概經歷了十幾年的時間;而智慧型手機從發明到幾乎人手一機,也不過五六年而已。推動這波電子革命的技術,正是積體電路(Integrated circuit,以下簡稱IC)。在本場探索講座中,臺大電機系的闕志達教授透過IC科技的歷史和應用,為大家介紹IC究竟是什麼,並且展望IC產業的未來發展。

在IC尚未普及的年代,無線通訊設備如大哥大、軍隊使用的野戰無線電都十分笨重。今日,由於IC科技的蓬勃發展,智慧型手機具有越來越多的功能:可以播放影片、音樂、打電動、瀏覽網頁、偵測震動及方位等等,每一項功能都有其專門的晶片。利用IC科技將這些複雜的功能縮小化,手機因此可以容納各式各樣的功能。闕教授指出,相較於以往的通訊設備,手機功能劇增,又有體積小、便宜等優點,全是拜IC科技所賜。

拆解一支時下最新穎的智慧型手機iPhone 6觀察,會發現電池和螢幕佔了手機體積的絕大部分,IC所在的電路板只是手機內部的一小部分。在這片雙面電路板上可以看到的晶片大略有:正面的A8處理器、第四代行動通訊(4G)晶片、感測IC、訊號放大器等,以及反面的快閃記憶體、Wi-Fi通訊晶片、電源管理晶片、觸控感測晶片、射頻晶片等。這些IC分別由不同公司設計、製造。IC領域的專家曾經夢想將所有IC集中到一個晶片上,這樣的晶片被稱作系統晶片(System on Chip)。然而,這種作法不切實際,因為擁有不同IC專長的公司專業分工,方才符合經濟效益。

具有如此威力的IC究竟是什麼呢?IC被翻譯為積體電路,電路即電子元件的連結,利用不同的電子元件和不同的連結方法,就可以有不同的邏輯、功能。其中,最重要的電子元件是電晶體,由美國的貝爾實驗室(Bell Labs)於1948年首先發明出來,發明者William B. Shockley、John Bardeen、Walter H. Brattain三人共同獲得了1956年的諾貝爾物理獎。電晶體就好比IC內部的開關,控制著電流是否導通。雖然一個電晶體的功能簡單,數十億個適當連結的電晶體卻可以執行非常複雜的功能。

以半導體為基礎的電晶體,從此取代龐大的真空管,帶動IC產業的成功。IC的製造程序從沙子提煉矽開始,製成矽晶圓以後進行加料、加工、加熱、切割、封裝,猶如製作比薩一般,方能完成一個IC。隨著手機的普及(2013年度全球總共銷售十八億支手機,其中十億支是智慧型手機),IC除了應用於電腦,現在更大量運用在手機裡,成了IC公司兵家必爭之地。

大家可能時常在報章雜誌見過「摩爾定律」(Moore's law)一詞。這個IC產業重要的「定律」由Intel創辦人摩爾於1965年提出,他觀察1965之前的IC產業發現,大約每隔一年半至兩年,晶片中的電晶體數目便會倍增。因此摩爾在當時便預測未來十年內(至1975年),IC產業也會依循這個速度發展。令人驚訝的是,經過了半個世紀,摩爾定律的預期目標至今不墜。

依照目前的技術,製造程序中最小電晶體的寬度(即特徵尺寸/Feature size)已達22-14奈米。在晶片尺寸不變的前提下,為維持摩爾定律電晶體倍增的目標,IC製程中特徵尺寸需要以0.7倍微縮,電晶體的面積便會減半。另外,IC的運算速度亦隨之持續成長。舉例而言,1971年Intel公司製造的4004微處理器,共有一千個電晶體,電晶體開關速度為每秒一百萬次(1 MHz)。四十三年以後(2014年),Intel最新的八核心微處理器擁有二十六億個電晶體,每秒開關速度已達三十五億次(3.5 GHz)。同時,IC的價格也持續下降,目前一個Wi-Fi晶片比一碗牛肉麵還要便宜。這些都是不眠不休的工程師努力以及市場經濟推動的成果。

當然,IC的發展也遇到了瓶頸。倘若IC的功率消耗持續隨電晶體數目以指數成長,則晶片的能源消耗將非常可觀。為了節省能源消耗同時增進運算速度,IC開始走向「多核」,一個核便是一個獨立運算單元。打個比方而言,為了以八倍的速度完成一件工作,聘請八位工人(八核)分工合作比將操勞一位工人(單核)八倍快的速度工作,更能節省耗能。

展望未來,摩爾定律是否已經走到盡頭?當未來的特徵尺寸微縮至10-5奈米,開始接近原子尺寸以後,IC便需要走向晶片立體化。目前立體化的技術有3D電晶體(鰭式電晶體/FinFET)、3D IC(將數個已完成的晶片堆疊起來)、發展中的技術則有Monolithic 3D IC(在製程過程中直接堆疊)。利用這些技術,晶片內的電晶體便可以持續以堆疊兩、四、八層的方式倍增,維持摩爾定律的目標。

IC科技始終為了人類,IC科技過往五十年的發展,帶動人類電子產品爆炸性的成長,深深影響我們生活的各個層面,包含通訊、能源、醫療、科學研究、農業等方面。以IC科技為基礎的智慧型手機,集各種電子產品的功能於一身,大大增進人類的福祉。闕志達教授希望年輕學子在享受電子產品的方便之餘,更能投身IC產業,持續以IC科技為人類打造更好的生活。

--本文整理自:104/4/18 由闕志達老師在臺大應力所國際演講廳所主講之「IC科技:始終為了人類(的手機)」演講內容>>現場全程影音

 

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