早期的电子设备是由各自独立的电子管、晶体管、电阻、电容、电感线圈等元器件组成。40年代以前的电子设备主要由电子管、电阻、电容组成。由于电子管体积太大,所以用电子管组成的电子设备的体积也很大。1946年,世界上第一台电子计算机就是用1.8万个电子管再加上1万个电阻、1万个电容、1500个继电器等元器件组成的。做成后,体积达90立方米,占地170平方米,重达30吨,耗电150千瓦,运算速度每秒5000次。1948年人类发明了晶体管,用晶体管做出的收音机体积就大大缩小了,可以装在口袋里,但用它做军用电子设备,体积还是太大。到了1952年,英国雷达研究所一位名叫达默的科学家提出了一个标新立异的设想:能否按照电子线路的要求,把一个线路中所包含的晶体管和二极管以及其他必要的元器件统统集合在一块半导体晶片上,从而构成一块具有预定功能的电路。这就是后来被称为集成电路或集成化的最初设想。到了1958年9月13日,美国一位年轻的工程师基尔比把达默的设想变成了现实。他使用一根半导体硅单晶制成了一个相移振荡器,这个振荡器包含2个晶体管、8个电阻、2个电容,期间无需金属导线进行连接。这就是世界上第一块集成电路。集成电路是衡量微电子技术发展水平高低的重要标志。在单位面积上集合的晶体管越多,我们就说它的集成度越高;集成度越高,微电子技术发展水平就越高。
从1958年人类发明第一块集成电路到现在,集成电路的发展水平越来越高。50年代末,集成度平均每10年增大250倍,到70年代末,在一块不到小手指甲盖一半面积的芯片上,集成度已高达15.6万。1989年,集成度已达到800万个。1996年,已经能够在一张普通邮票大小(面积350平方毫米)的芯片上,集成5亿个元器件,其加工精细水平简直到了令人不可思议的地步。根据预测,到2010年,集成度可高达10亿;再往后,采用量子器件,每个芯片将有1万亿个元器件。
随着微电子技术发展水平的不断提高,做出的集成电路芯片的体积将变得越来越小,同时其性能也将越来越高,对人类社会进步、提高国防实力将会产生巨大影响。2000年3月27日,韩国三星电子公司推出了世界上最小的容量为8mb的sram(静态可读写存储芯片)。这种芯片被放在一枚直径为2.3厘米的韩国硬币上,也只占到其面积的1/3。体积虽小,但功能却很大,它将被用于需要小尺寸、大容量存储芯片的移动电话中。从目前情况看,随着高性能集成电路芯片的广泛应用,将会给人类社会的各个领域带来翻天覆地的变化。概括起来,有“三化”,即:设备小型化、机器智能化、用途广泛化。
设备小型化是指各种各样的电子设备已变得越来越小,比如,曾经像投影幻灯一样大的收音机如今可以做得像钮扣那么小;曾经重达30吨的计算机如今可以做得像笔记本那么大。体积缩小了,但功能却没有减。一架普通相机,加上一块小小的芯片,就变成了人人会使的“傻瓜”相机。这就是机器智能化的体现。由于成本越来越低,性能越来越高,微电子技术的应用,已经达到了“无微不至、无所不为、无与伦比”的程度。1992年,美国《研究与发展》杂志组织了一次大规模的调查活动,请读者评选30年来对人类产生最大影响的30种发明。评选结果,集成电路不仅榜上有名,而且其余29种产品,多数也与集成电路有关。可以毫不夸张地说,倘若离开了以集成电路为核心的微电子技术,其它所有的高技术,都不会是今天这个样子。
在现代高技术武器装备发展过程中,微电子技术也在发挥着“四两拨千斤”的作用。过去武器装备的发展求大、惟多和大规模杀伤破坏,而今天,正在被小巧、灵活、精确所代替。目前衡量一个装备发展水平高低的标准,很大程度上已经取决于电子设备的水平,而电子设备的更新换代在很大程度上又取决于微电子技术的发展水平。在现代高技术武器装备发展过程中,用于发展电子设备的资金占总成本的份额越来越大。据统计,目前军用车辆成本的24%,军舰成本的25%,军用飞机成本的33%,导弹成本的45%,航天器(包括卫星、飞船、航天飞机等)成本的66%,通信电子战设备成本的90%都花在电子设备上。由于电子设备水平的不断提高,致使现代武器装备的性能也得到巨大提高,具体来说,就是武器系统的体积更小、重量更轻、功能更强、可靠性更高、作战效能和威力更大。比如:现代导弹既可打面目标,又能打点目标;现代坦克既可白天作战,也可晚上夜战;电子战设备既能对付在固定频率工作的敌电台、雷达,也能对付频率敏捷更换的敌电台、雷达。从这个意义上来说,现代战争已经从“打钢铁”转变到“打钢铁更要打硅片”的新阶段。
微电子技术虽然在各个领域都有重要作用,但要达到高水平,却不是一件轻而易举的事情,需要闯过一道道难关:材料要超纯、环境要超净、工艺要超精细,哪一项上不去都不行。已经掌握了这项尖端技术的国家,又严格控制向其它国家转移,要想摆脱对别国的依赖,必须依靠自力更生。为了加速实现四个现代化,我国的微电子技术从无到有,取得了可喜的成绩。但是与世界先进水平相比,我们还存在着相当大的差距,这在很大程度上成了制约我国工业发展和武器装备上台阶的“瓶颈”因素。为此,我们国家已经下决心把这项高技术尽快搞上去。“八五”期间,微电子技术就已被作为科技攻关重点项目进行研究,并取得重要突破。1996年,中国科学院微电子中心自力更生实现了0.8微米集成电路加工技术,成都光电所研制成功0.8~1微米分步重复投影光刻机,标志着我国微电子技术跨上了一个新水平。“九五”期间,国家实施了“909”工程,建设采用0.35-0.24微米技术、8英寸硅片,月产2万片超大规模集成电路芯片生产线,不仅能满足国内民用军用的需要,而且可以有一定数量的出口。2001年7月,美国摩托罗拉公司天津半导体集成电路生产中心成功采用0.35微米制作出国内第一块高精度逻辑芯片,从而使我国移动通讯多年来一直依赖国外进口产品的局面得到改观。总之,只要我们坚持自力更生方针,积极引进消化国外先进技术,微电子领域的差距一定会逐步缩小,从而为推动国内各项高技术的发展创造良好的条件。